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    Blog-毛細作用-接觸角與表面張力如何相關

    2021-07-12

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    毛細管作用也叫毛細管填充作用或排芯作用,主要是指液體自發流入或者填滿毛細管或者孔隙中。最知名的例子是毛細管上升:當內徑很小的玻璃毛細管被放到水中時,毛細管內的水會上升到比毛細管外部水還高的位置。這種現象是由表面張力作用產生的,這就是為什么毛細管越細,水位上升越高。


    毛細管作用并不僅僅在水中存在,在油相、有機溶劑和生物液體中均有存在。毛細作用在許多自然、工業和商業過程中起著重要的作用。自然界中的例子有水從樹根輸送到樹梢,以及水在含水層的移動。工業和商業中的例子包括是由提取和橫向流家庭診斷測試。在日常生活中,使用吸水性廚房紙巾有效地清潔液體溢出是基于毛細作用的。


    1、當自由能變化為負時,毛細作用是自發的

    毛細作用是表面自由能的最小化引起的。楊氏方程描述的接觸角和表面(界面)自由能的關系如下:


    其中γlv、γsv和γsl分別是氣液界面、氣固界面和液固界面的自由能。

    當一部分毛細管被潤濕,氣固接觸接觸的表面積(△A)降低,同時產生了相同面積的固液接觸區域,而自由能的改變(△E)則與上述相關:


    將自由能的改變與接觸角聯系起來,則使用楊氏方程可得到下述表述:


    對于親水表面來講,接觸角<90°這意味著浸潤毛細管的自由能變化為負,即發生自發填補。


    2、毛細作用可用毛細壓力來理解

    毛細作用也可用毛細壓力來理解。在所有彎曲的液體界面都存在一個壓強差,叫做拉普拉斯壓強,它是由界面上液體分子間的不平衡力引起的。對于具有圓形截面(半徑為r)的孔隙,毛細管壓力為:


    由此可見,接觸角越?。紫对接H水),毛細壓力越大,毛細作用越強??紫对叫?,毛細作用越強。因此,在特征尺寸遠遠大于1mm的宏觀系統中,毛細填充作用并不是主要因素。表面張力對毛細壓力的影響更為復雜:一方面,毛細壓力與表面張力成正比;另一方面,高表面張力的液體通常也具有高接觸角,這也降低了毛細壓力。需要強調的是,理解上述毛細作用的兩種方法(自由能變化或毛細壓力)是對同一物理現象的兩種描述,而非兩種不同的現象。


    有了上述提到的信息,就可以根據液體的尺寸、接觸角和表面張力來預測液體在應用中的行為,如橫向流動醫學診斷測試。這種測試用于分析血液或者尿液樣本,這些樣本的表面張力低于水,但仍很高。因此,在這種測試中使用的材料必須是非常親水的,可以依靠毛細管填充,例如玻璃、親水紙或親水聚合物。另一方面,在液體運輸的應用中,如乙醇(對聚合物的接觸角要小得多),即使是天生疏水性的聚合物也在具體應用中被使用。


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