Blog-Wenzel方程 - 描述粗糙度與潤濕性的關(guān)系

2021-02-04

當(dāng)需要表征表面的潤濕性和附著性時(shí)，表面的化學(xué)性質(zhì)和形貌性質(zhì)在許多不同的應(yīng)用和工藝中都是重要的參數(shù)。潤濕性可以通過測量基材與給定液體間的接觸角來研究。楊氏方程便描述了固、液、氣三相間的平衡：

其中γsv、γsl、γlv為界面張力，θγ為楊氏接觸角。楊氏方程假定材料表面化學(xué)均一，形貌光滑。然而在真實(shí)的表面上述假定通常是不存在的，在真實(shí)的表面上通常并不是一個平衡狀態(tài)下的接觸角值，而是在前進(jìn)角和后退角之間顯示一個接觸角范圍。

在理想表面上使用楊氏方程，測量的接觸角為楊氏接觸角（見上面圖片）。在真實(shí)的表面上，實(shí)際接觸角是液體-流體界面的切線與實(shí)際固體局部表面之間的夾角（見下面圖片）。然而，測量的接觸角是在宏觀上看到的，液體-流體界面的切線和代表表觀固體表面的線之間的夾角。實(shí)際接觸角值和表面接觸角值會有很大的差異。在理論上計(jì)算固體表面自由能時(shí)，應(yīng)采用實(shí)際接觸角。

Wenzel方程描述了表面粗糙度與浸潤性之間的關(guān)系

粗糙度和潤濕性的關(guān)系是1936年Wenzel提出的，增加表面粗糙度可提高表現(xiàn)化學(xué)性質(zhì)引起的潤濕性。例如，表面在化學(xué)上是疏水的，當(dāng)增加表面粗糙度時(shí)，將變得更疏水。Wenzel方程的具體表述如下：

θm為測量所得接觸角，θγ為楊氏接觸角，r為粗糙度比率。粗糙度比率的定義為實(shí)際和投影實(shí)體表面積的比值（光滑表面r=1，粗糙表面r>1）。需要注意的是，Wenzel方程是基于液體*穿透粗糙表面的假設(shè)。Wenzel是一種近似值，對于粗糙表面來講液滴越大測試結(jié)果越接近真實(shí)值。由此可知，如果液滴比粗糙度尺度大兩到三個數(shù)量級，則適用Wenzel方程。