3汙層表麵張力及其與憎水性的關係

針對1.2節中所述的6種不同鹽密和灰密的汙層測量表麵張力，並記錄水在汙層上的靜態接觸角。染汙矽橡膠試片的表麵張力測試液體為去離子水和甘油。

附著在汙層表麵上的液滴會溶解汙層中的鹽分，代入計算中的液體表麵張力並不是去離子水的液體表麵張力，而是一定濃度鹽溶液的表麵張力，因此需要對計算中所用的液體表麵張力進行修正。而由於氯化鈉在甘油中的溶解度較低，可認為沒有鹽分吸收過程而液滴表麵張力保持不變，不用進行修正。

液體表麵張力的修正的思路為：測量每個液滴的接觸角後，通過幾何參數計算液滴和汙層接觸麵的麵積。假設NaCl溶解性強，液滴會完全吸收接觸麵積中的鹽分，根據汙層的鹽密，計算得液滴的濃度，並根據2.1節中NaCl鹽溶液濃度和表麵張力的關係，獲得液滴的表麵張力。

在憎水角測試儀中可以觀測到落在汙層表麵的液滴形態，將其近似為球冠形，建立球冠的高度和半徑的幾何關係，得到球缺底麵積與體積和接觸角的方程：

根據球冠的幾何參數，通過已知的接觸角和液滴體積，通過公式（7），計算液滴底麵積，乘以相應汙層鹽密，得到液滴體積2時的液滴濃度。

由2.1節可知，NaCl鹽溶液在微小的濃度變化下，其濃度和表麵張力的關係呈線性變化，並且2.1節中NaCl鹽溶液濃度範圍可包括本項試驗中不同汙層上液滴的濃度。因此通過該線性關係，代入計算出的液滴濃度，獲得相應的表麵張力，完成液體表麵張力的修正，結果如表3所示。水的接觸角和表麵張力隨鹽密和灰密的變化規律如圖5所示。

在低灰密的情況下，鹽密增大，汙層表麵張力增大，水的接觸角減小，並且鹽密的增大使得接觸角的降低幅度較為顯著；在高灰密的條件下，鹽密增大，汙層表麵張力增大，但是考慮了表麵粗糙性等原因，液滴不易擴散，因此液滴接觸角仍可保持較大的情況。並且在低灰密時鹽密增大對接觸角的影響更顯著。

表麵張力可反映液體和固體本身的性質，並且接觸角對於表麵張力的變化是敏感的。通過對比水在6種汙層上的接觸角和5種濃度的NaCl溶液在潔淨矽橡膠表麵的接觸角，可以發現，汙層鹽密增大，液滴表麵張力增大，接觸角減小；而5種濃度的NaCl鹽溶液的表麵張力增大，其在潔淨矽橡膠表麵的接觸角增大。因此，即使液滴的濃度增加，表麵張力增大，其接觸角的變化規律並不一致，還受到固體表麵張力的影響。並且在相同灰密時，隨著鹽密增大，液體和固體表麵張力都增大，但接觸角和固體表麵張力相關性更強，因此染汙矽橡膠表麵液滴的接觸角受汙層表麵張力的影響更為顯著，而對液體表麵張力變化更不敏感。

4結論

通過測量不同鹽液滴的表麵張力和其在潔淨表麵上的接觸角，並測量汙層表麵張力和水在汙層表麵的接觸角，從固體和液體表麵張力的角度研究了汙層和液滴的性質對接觸角的影響程度。結果表明：

1）隨著濃度的增加，NaCl鹽溶液表麵張力增大，並且在潔淨的矽橡膠表麵上的接觸角增大，且兩者的增大過程都呈飽和趨勢；對於NaCl與CaSO4混合鹽溶液，隨著CaSO4的比例提高，表麵張力增大，在潔淨矽橡膠表麵的接觸角升高。

2）對於染汙絕緣表麵，在相同灰密的情況下，隨著汙層鹽密增大，汙層表麵張力增大，液滴自身表麵張力也增大，接觸角減小；在高灰密條件下，憎水性仍保持較高水平，鹽密對憎水性的影響減弱。

3）在實際運行環境中，附汙絕緣表麵的液滴形態的變化過程是複雜的。汙層表麵的水滴吸收了一定的鹽分，液體表麵張力增大，使得接觸角有變大的趨勢，更容易形成獨立的水滴；但是在相同灰密情況下，鹽密增大，固體表麵張力增大，接觸角會減小。通過對比試驗結果，汙層上液滴的接觸角對固體表麵張力的變化比液體表麵張力變化更加靈敏。