Blog-Wenzel方程 - 描述粗糙度與潤濕性的關系

2021-02-04

當需要表征表面的潤濕性和附著性時，表面的化學性質和形貌性質在許多不同的應用和工藝中都是重要的參數。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均一，形貌光滑。然而在真實的表面上述假定通常是不存在的，在真實的表面上通常并不是一個平衡狀態下的接觸角值，而是在前進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）。在真實的表面上，實際接觸角是液體-流體界面的切線與實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。實際接觸角值和表面接觸角值會有很大的差異。在理論上計算固體表面自由能時，應采用實際接觸角。

Wenzel方程描述了表面粗糙度與浸潤性之間的關系

粗糙度和潤濕性的關系是1936年Wenzel提出的，增加表面粗糙度可提高表現化學性質引起的潤濕性。例如，表面在化學上是疏水的，當增加表面粗糙度時，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際和投影實體表面積的比值（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。Wenzel是一種近似值，對于粗糙表面來講液滴越大測試結果越接近真實值。由此可知，如果液滴比粗糙度尺度大兩到三個數量級，則適用Wenzel方程。