1.5.2 粉末接触角的测定

Washburn导出了液体在粉末毛细管中流动的动力学方程

cos θw = (m2 / t) × (η / (ρ2 σ1 c))(4)

式中： θw 为润湿液体与粉末的接触角； m为润湿液体上升的质量； t为润湿液体上升的时间； η 为润湿液体的黏度； ρ 为润湿液体的密度； c为与粉体床本身的性质有关的参数。

将绢云母粉末加入试样池中，该试样池的底部为多孔，润湿液可以透过，然后将试样池悬挂在电子电平上，当试样池底部与润湿液接触，受毛细管效应，润湿液上升，测量上升润湿液质量与时间的关系，如图 1所示。

图 1 绢云母粉末表面张力测量示意图

选用与绢云母粉末表面的接触角 θw 接近 0° 的低表面张力的正己烷作为参比溶剂，通过式（4）获得粉体床本身的性质有关的参数 c，将甲酰胺和氯仿作为测试溶剂，通过相同的方法，从而获得 2种测试溶剂与绢云母粉末的接触角。在每一次测试中，为了保证粉体床本身性质有关的参数 c相同，每次测试试样的质量相同，并压至相同的高度。表 1为测试溶剂的表面张力，环境温度控制在 (20±0.2)℃。

表 1 润湿液体的表面张力

注：σ 为液体的表面张力；上标 D 与 P 分别表示色散力与极性力对表面张力的贡献。

2 结果与讨论

影响接触角的原因主要是材料表面的粗糙度与化学组成，关于表面粗糙度与接触角关系的主要理论有 Cassie-Baxter模型与 Wenzel模型。Cassie-Baxter模型考虑液体与固体、气体复合表面接触；而Wenzel模型则是考虑液体在粗糙表面上与表面材料完全接触。

液体在结构表面上有可能形成 Cassie-Baxter模型与 Wenzel模型同时满足的情况。绢云母是一种天然细粒白云母，是层状结构的硅酸盐。绢云母原矿经碾碎，形成层状堆积的粗糙表面，其最小片厚可以到达1 nm，其扫描电镜（SEM）形貌见图 2。由于绢云母粉末表面的纳米微结构，使得液体并不能完全与其接触（图 3），对于极其粗糙的绢云母表面，符合Wenzel和 Cassie联合方程

cos θa = γ f2 cos θt - f1(5)

式中： θt 为液体与光滑固体表面的接触角； θa 为液体与粗糙的表观接触角； γ 为表面粗糙度； f1 为液体与气体接触的投影面积分数； f2 为液体与粗糙表面接触的投影面积分数。

图 2 绢云母粉末的扫描电镜照片

图 3 液体在粗糙绢云母粉末表面接触模型

2.1 绢云母粉末在 APTES/乙醇溶液中的浸润性

液体对固体粉末粗糙表面的浸润性与溶液的表面张力有关， APTES分子只能在液体与固体粉末接触面积区域内进行分子自组装。图 4是不同质量分数 APTES/乙醇溶液的表面张力。由图 4可见，在质量分数小于 4％ 的条件内，不同质量分数 APTES/乙醇溶液与纯乙醇的表面张力相差不大，可以认为绢云母粉末在不同质量分数 APTES/乙醇溶液中的浸润性相当，即在不同质量分数下， APTES与绢云母粉末的接触面积相等。

图 4 乙醇溶液表面张力与APTES含量的关系