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智能水表潤濕性理論與超疏水現象原理

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       智能水表表面自由能是指保持原有的特征變量(如溫度、壓力和組成等)不變的情況下,每增加單位表面積,與之相對應的熱力學函數的增量。對于液體而言,處在液體表層的分子與處在液體內部的分子所受力場不同,內部分子受到周圍同種分子的相互作用,分子間作用力對稱存在而相互抵消。

       但表層分子因未被同種分子完全包圍,其既受到指向液相的液體分子的引力,也受到指向氣相的氣體分子的力。因氣相引力遠小于液相引力,所以氣液界面的分子主要受到指向液體內部并垂直于表面的引力。將一個分子由液相內部移到表層需克服引力做功,使系統自由焓增加層分子移入液體內部,則系統自由焓下降。智能水表由于系統具有自發從高能態向低能態轉變的能力,因此,在無外力作用時液體具有自動收縮呈球形的趨勢。表面自由能和表面張力都是作用力的一種量度,前者從能量角度慮分析表層分子和內部分子的差別,只有大小,無方向。后者是表面自由能客觀存在的表象,是從力學角度考慮表面分子與內部分子的差別,有大小和對于固體而言,其表面自由能越大,越易被一些液體所潤濕。通常將表面能于1oomJ/m2的材料稱為高能表面,如常見的金屬材料及其氧化物、硫化物無機鹽等,它們均具有較高的表面自由能;表面能在25~100mJ/m2的材料稱為低能表面,它們的表面能與液體表面能相當,包括一般的有機化合物及高聚物液體在固體表面上以一定的形狀存在,而與固體表面成一定角度,即接觸角。它是液滴在固體表面上固、液、氣三相界面間表面張力相互作用達到平衡狀的結果。1804年, TYoung***提出了在理想均一光滑的固體表面上的液滴。

       對潤爼性的硏究發現,接觸角越大其表面疏水性越強。盡管接觸角是衡量智能水表表面潤爼性的最常用標準,但對于設計具有實際應用價值的潤濕性表面,要完整地判斷其潤濕效果還應該考慮動態的過程,因此,必須要考慮液滴在微小力作用下的運動情況453.所以,研究材料表面動態過程中的接觸角:前進角ad、后退角θrec和滾動角(即接觸角滯后,又稱遲滯角a)就顯得十分必要。

       前進角是指液滴處于傾斜表面上在增加液滴體積時,液滴與固體表面相接觸的三相線即將要移動的這一狀態的接觸角,可以理解為處于即將下滑的液滴前坡面必須增加的角度,否則液滴運動不會發生。后退角是指在縮減液滴體積時,液滴與固體表面之間的三相接觸線即將移動而未移動狀態的接觸角,可以解釋為下滑時液滴后坡面必須降低的角度,否則液滴不會發生位移。

       Youngs方程假定固體表面成分均一且***光滑,但由于實際固體表面上通常度,所以實測得的表觀接觸角θ與材料的本征接觸角θ之間存在一定的差異。此方程是硏究潤濕性的基本公式,故又稱為潤濕方程,接蝕角是表征固體表面潤濕性。

       滾動角是指一定質量的水滴在傾斜表面受重力作用開始滾動時的臨界角度當固體表面滾動角較小時,水滴在斜面上可以保持球冠形態。



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