1.5.2 粉末接觸角的測定

Washburn導(dǎo)出了液體在粉末毛細(xì)管中流動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程

cos θw = (m2 / t) × (η / (ρ2 σ1 c))(4)

式中： θw 為潤濕液體與粉末的接觸角； m為潤濕液體上升的質(zhì)量； t為潤濕液體上升的時(shí)間； η 為潤濕液體的黏度； ρ 為潤濕液體的密度； c為與粉體床本身的性質(zhì)有關(guān)的參數(shù)。

將絹云母粉末加入試樣池中，該試樣池的底部為多孔，潤濕液可以透過，然后將試樣池懸掛在電子電平上，當(dāng)試樣池底部與潤濕液接觸，受毛細(xì)管效應(yīng)，潤濕液上升，測量上升潤濕液質(zhì)量與時(shí)間的關(guān)系，如圖 1所示。

圖 1 絹云母粉末表面張力測量示意圖

選用與絹云母粉末表面的接觸角 θw 接近 0° 的低表面張力的正己烷作為參比溶劑，通過式（4）獲得粉體床本身的性質(zhì)有關(guān)的參數(shù) c，將甲酰胺和氯仿作為測試溶劑，通過相同的方法，從而獲得 2種測試溶劑與絹云母粉末的接觸角。在每一次測試中，為了保證粉體床本身性質(zhì)有關(guān)的參數(shù) c相同，每次測試試樣的質(zhì)量相同，并壓至相同的高度。表 1為測試溶劑的表面張力，環(huán)境溫度控制在 (20±0.2)℃。

表 1 潤濕液體的表面張力

注：σ 為液體的表面張力；上標(biāo) D 與 P 分別表示色散力與極性力對表面張力的貢獻(xiàn)。

2 結(jié)果與討論

影響接觸角的原因主要是材料表面的粗糙度與化學(xué)組成，關(guān)于表面粗糙度與接觸角關(guān)系的主要理論有 Cassie-Baxter模型與 Wenzel模型。Cassie-Baxter模型考慮液體與固體、氣體復(fù)合表面接觸；而Wenzel模型則是考慮液體在粗糙表面上與表面材料完全接觸。

液體在結(jié)構(gòu)表面上有可能形成 Cassie-Baxter模型與 Wenzel模型同時(shí)滿足的情況。絹云母是一種天然細(xì)粒白云母，是層狀結(jié)構(gòu)的硅酸鹽。絹云母原礦經(jīng)碾碎，形成層狀堆積的粗糙表面，其最小片厚可以到達(dá)1 nm，其掃描電鏡（SEM）形貌見圖 2。由于絹云母粉末表面的納米微結(jié)構(gòu)，使得液體并不能完全與其接觸（圖 3），對于極其粗糙的絹云母表面，符合Wenzel和 Cassie聯(lián)合方程

cos θa = γ f2 cos θt - f1(5)

式中： θt 為液體與光滑固體表面的接觸角； θa 為液體與粗糙的表觀接觸角； γ 為表面粗糙度； f1 為液體與氣體接觸的投影面積分?jǐn)?shù)； f2 為液體與粗糙表面接觸的投影面積分?jǐn)?shù)。

圖 2 絹云母粉末的掃描電鏡照片

圖 3 液體在粗糙絹云母粉末表面接觸模型

2.1 絹云母粉末在 APTES/乙醇溶液中的浸潤性

液體對固體粉末粗糙表面的浸潤性與溶液的表面張力有關(guān)， APTES分子只能在液體與固體粉末接觸面積區(qū)域內(nèi)進(jìn)行分子自組裝。圖 4是不同質(zhì)量分?jǐn)?shù) APTES/乙醇溶液的表面張力。由圖 4可見，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于 4％ 的條件內(nèi)，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù) APTES/乙醇溶液與純乙醇的表面張力相差不大，可以認(rèn)為絹云母粉末在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù) APTES/乙醇溶液中的浸潤性相當(dāng)，即在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下， APTES與絹云母粉末的接觸面積相等。

圖 4 乙醇溶液表面張力與APTES含量的關(guān)系