粗糙度

粗糙度是指固体表面的不均匀程度,描述的维度在物体表面形貌和的起伏程度之下,在晶格结构的不规则程度之上。粗糙度会影响固体的润湿性

粗糙度参数

除了润湿性之外,许多其他工艺和材料特性也受到粗糙度的影响,例如摩擦力和流体的管道流动。因此,表面的粗糙度表征具有重要的技术意义。固体粗糙度的参数包括:

  • 轮廓的算术平均偏差:表示为Ra,它是指实际表面高度与平均轮廓线的平均距离,平均轮廓线的设定位置要使高度偏差总和最小。
  • 均方根粗糙度Rq:这等于与平均轮廓线偏差的平方和的平方根。
  • 粗糙度率r’(见下文)。这个定义是指了整个表面的尺寸与几何上该表面投影到平面上面积的比率,它对于润湿性尤为重要。

粗糙度测量

ISO 25178标准定义了粗糙度的结果参数和适合的测量方法。在这里需要强调的是采用非接触式光学法(例如白光干涉测量法或共聚焦显微镜)可以进行非破坏性测量,其他方法是通过测量在通气或真空条件下,利用光滑表面和粗糙表面之间接触缝隙的透气性来评价。

粗糙度和润湿性

由于粗糙度与表面积的扩大程度密切相关,它会影响固体的润湿性、液体的接触角(CA)和粘附性。粗糙度对润湿性的影响大小(增加或降低),取决于光滑材料本身的润湿性。以下观察结果假设粗糙度的量级明显小于液体的液滴大小。

粗糙度对可润湿表面的影响(CA <90°)

当接触角小于90°时,固体可被给定液体润湿,粗糙表面的接触角会小于相同材料光滑表面的接触角,更易被润湿。在这种情况下,这对在液体和固体之间形成界面十分有利,因此表面增大对润湿具有积极影响。

们每天都在使用这些效应,例如,在涂漆或胶合之前对部件打磨,这样粘合剂和涂层物质的粘合作用会得到增强。在使用Wilhelmy板法进行表面张力测量时,对铂金板粗糙化可以优化样品润湿。

根据Wenzel模型,粗糙度和接触角之间的关系如下:

       cosθ* = r'cosθ

θ* =测量的(表观)接触角;θ=与光滑表面的接触角; r'=粗糙度率(见上)

粗糙度对疏水表面的影响(CA> 90°)

如果液体在光滑固体上形成大于90°的接触角,则固体不可润湿,这种材料形成的粗糙表面上的接触角更大。

根据Wenzel模型,这一事实反映在上述等式中。由于cos θ对于大于90°的接触角是负值,根据该等式,表观接触角更大。然而,Wenzel等式只能在有限的范围内应用,因为不能假设在少量润湿的情况下,粗糙表面内所有毛细管都充满液体。Cassie和Baxter用公式表达以下关系,适用于整个表面只有部分与液体接触的情况:

       cosθ* = r' f  cosθ + f -1  (f =实际湿润表面的比例)

根据Wenzel和Cassie-Baxter模型得出的润湿基本状态

这种润湿行为称为荷叶效应,因为荷叶是最不易润湿的非技术表面之一。低表面自由能的材料具有粗糙表面纹理,润湿性极低,也称为超疏水性。超疏水材料或涂层有许多工业应用,例如:防污垢和防水,以及自清洁纺织品和建筑物墙壁。

参考书目

R. N. Wenzel,固体表面对水润湿的抵抗力,《工业与工程化学研究》28卷,1936年第8期,988-994页
A.B. D. Cassie, S. Baxter,多孔表面的润湿性,《法拉第学会学报》40卷,1944年,546-551页