3污層表面張力及其與憎水性的關(guān)系

針對(duì)1.2節(jié)中所述的6種不同鹽密和灰密的污層測(cè)量表面張力，并記錄水在污層上的靜態(tài)接觸角。染污硅橡膠試片的表面張力測(cè)試液體為去離子水和甘油。

附著在污層表面上的液滴會(huì)溶解污層中的鹽分，代入計(jì)算中的液體表面張力并不是去離子水的液體表面張力，而是一定濃度鹽溶液的表面張力，因此需要對(duì)計(jì)算中所用的液體表面張力進(jìn)行修正。而由于氯化鈉在甘油中的溶解度較低，可認(rèn)為沒(méi)有鹽分吸收過(guò)程而液滴表面張力保持不變，不用進(jìn)行修正。

液體表面張力的修正的思路為：測(cè)量每個(gè)液滴的接觸角后，通過(guò)幾何參數(shù)計(jì)算液滴和污層接觸面的面積。假設(shè)NaCl溶解性強(qiáng)，液滴會(huì)完全吸收接觸面積中的鹽分，根據(jù)污層的鹽密，計(jì)算得液滴的濃度，并根據(jù)2.1節(jié)中NaCl鹽溶液濃度和表面張力的關(guān)系，獲得液滴的表面張力。

在憎水角測(cè)試儀中可以觀測(cè)到落在污層表面的液滴形態(tài)，將其近似為球冠形，建立球冠的高度和半徑的幾何關(guān)系，得到球缺底面積與體積和接觸角的方程：

根據(jù)球冠的幾何參數(shù)，通過(guò)已知的接觸角和液滴體積，通過(guò)公式（7），計(jì)算液滴底面積，乘以相應(yīng)污層鹽密，得到液滴體積2時(shí)的液滴濃度。

由2.1節(jié)可知，NaCl鹽溶液在微小的濃度變化下，其濃度和表面張力的關(guān)系呈線性變化，并且2.1節(jié)中NaCl鹽溶液濃度范圍可包括本項(xiàng)試驗(yàn)中不同污層上液滴的濃度。因此通過(guò)該線性關(guān)系，代入計(jì)算出的液滴濃度，獲得相應(yīng)的表面張力，完成液體表面張力的修正，結(jié)果如表3所示。水的接觸角和表面張力隨鹽密和灰密的變化規(guī)律如圖5所示。

在低灰密的情況下，鹽密增大，污層表面張力增大，水的接觸角減小，并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，污層表面張力增大，但是考慮了表面粗糙性等原因，液滴不易擴(kuò)散，因此液滴接觸角仍可保持較大的情況。并且在低灰密時(shí)鹽密增大對(duì)接觸角的影響更顯著。

表面張力可反映液體和固體本身的性質(zhì)，并且接觸角對(duì)于表面張力的變化是敏感的。通過(guò)對(duì)比水在6種污層上的接觸角和5種濃度的NaCl溶液在潔凈硅橡膠表面的接觸角，可以發(fā)現(xiàn)，污層鹽密增大，液滴表面張力增大，接觸角減??；而5種濃度的NaCl鹽溶液的表面張力增大，其在潔凈硅橡膠表面的接觸角增大。因此，即使液滴的濃度增加，表面張力增大，其接觸角的變化規(guī)律并不一致，還受到固體表面張力的影響。并且在相同灰密時(shí)，隨著鹽密增大，液體和固體表面張力都增大，但接觸角和固體表面張力相關(guān)性更強(qiáng)，因此染污硅橡膠表面液滴的接觸角受污層表面張力的影響更為顯著，而對(duì)液體表面張力變化更不敏感。

4結(jié)論

通過(guò)測(cè)量不同鹽液滴的表面張力和其在潔凈表面上的接觸角，并測(cè)量污層表面張力和水在污層表面的接觸角，從固體和液體表面張力的角度研究了污層和液滴的性質(zhì)對(duì)接觸角的影響程度。結(jié)果表明：

1）隨著濃度的增加，NaCl鹽溶液表面張力增大，并且在潔凈的硅橡膠表面上的接觸角增大，且兩者的增大過(guò)程都呈飽和趨勢(shì)；對(duì)于NaCl與CaSO4混合鹽溶液，隨著CaSO4的比例提高，表面張力增大，在潔凈硅橡膠表面的接觸角升高。

2）對(duì)于染污絕緣表面，在相同灰密的情況下，隨著污層鹽密增大，污層表面張力增大，液滴自身表面張力也增大，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(duì)憎水性的影響減弱。

3）在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中，附污絕緣表面的液滴形態(tài)的變化過(guò)程是復(fù)雜的。污層表面的水滴吸收了一定的鹽分，液體表面張力增大，使得接觸角有變大的趨勢(shì)，更容易形成獨(dú)立的水滴；但是在相同灰密情況下，鹽密增大，固體表面張力增大，接觸角會(huì)減小。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，污層上液滴的接觸角對(duì)固體表面張力的變化比液體表面張力變化更加靈敏。