接触角：从测试到应用的全面解析

说明：接触角是衡量液体在固体表面润湿性的核心物理量，其核心作用是量化固体表面与液体的相互作用能力，进而为材料选择、表面改性、工艺优化等提供关键依据。本文华算科技就接触角的一般测试项目、具体的测试方法等内容对该项目进行详细的介绍。

接触角（Contact Angle，通常用符号θ表示）是指在固-液-气三相平衡共存的接触点处，气-液界面的切线与固-液界面的切线之间所夹的角度，且默认取“包含液体一侧“的角度。

根据接触角数值，可直接判断固体表面的润湿性类型：

亲水性：θ＜90°，液体倾向于在固体表面铺展（如水滴在干净玻璃上）；

疏水性：θ＞90°，液体倾向于在固体表面收缩成球状（如水滴在荷叶、石蜡上）；

极端润湿性：θ≈0° 为“完全润湿”（液体完全铺展成薄膜），θ≈180°为“完全不润湿”（液体呈完美球状，几乎不与固体接触）。

1、静态接触角：静态接触角测试是表征固体表面润湿性的核心方法，通过测量平衡状态下“固-液-气”三相交界处的夹角（θ），快速判断固体亲水性/疏水性。

2、动态接触角：动态接触角测试是针对液体在固体表面动态运动状态（如铺展、收缩、渗透）的润湿性分析方法，核心测量“前进角”（液体推进时的接触角，反映表面初始润湿阻力）和“后退角”（液体收缩时的接触角，反映表面黏附力），二者差值称为“接触角滞后”，可表征固体表面不均一性或粗糙度对润湿性的影响。

3、表面能：表面能测试是通过测量已知表面张力的液体在固体表面的接触角，结合Young方程、Fowkes理论等模型，反推固体表面能（包括总表面能及极性、色散等组分）的方法。

核心是利用固-液界面的润湿行为关联固体表面的分子间作用力，快速评估材料表面的亲疏水性、黏附性等关键性能，广泛用于涂层、薄膜、高分子材料等的表面特性分析。

4、表面张力：该测试是通过观察已知表面能的固体表面与待测液体形成的接触角，结合Young方程（固体表面能=液体表面张力×cos接触角+固液界面张力），反推液体表面张力的方法；

也可固定液体表面张力，通过接触角变化监测固体表面能变化，核心是利用固-液-气三相界面的润湿平衡关系，将接触角这一宏观现象与表面张力（或表面能）的微观分子作用力关联，常用于液体纯度检测、溶液表面活性分析等场景。

5、水中油接触角/油中水接触角：

水中油接触角：测油滴在固体表面、且处于水相环境中的接触角，反映固体对油的亲和性（角度小则易吸附油）；

油中水接触角：测水滴在固体表面、且处于油相环境中的接触角，反映固体对水的亲和性（角度小则易吸附水）。

二者常用于评估材料在油水混合场景的性能，比如油水分离膜的选择吸附性、油田开采中岩石对原油/水的偏好性等。

常见的接触角测试方式主要围绕“液滴形态观察”、“力学信号测量”及“特殊样品适配性”展开，核心是通过不同技术路径捕捉固-液-气三相界面的润湿状态，以下是几种常见的接触角测试方式：

这是接触角测试中最通用的一种方式，该方法通过将1-5μL的待测液体滴在水平固体表面形成“座滴”，用高分辨率相机拍侧面/顶面轮廓，再通过圆拟合、Young-Laplace方程等算法算接触角。

可测静态接触角，也能通过增减液滴体积测动态接触角（前进角/后退角），适合薄膜、涂层、金属等多数平整固体，操作简单且精度高（误差±0.1°）。

与座滴法不同，该方法是靠力学信号计算的方式，将薄片状固体（如薄膜、金属箔）垂直浸入液体，用高精度天平测样品浸入/拉出时的“润湿力”，结合液体表面张力、样品周长等参数，通过如下公式反推接触角。

式中，γ为液体的表面张力（待测量），l为液体润湿金属薄板的总周长（可以通过测量已知表面张力的液体确定或直接通过对薄板几何尺寸的测量经计算获得），θ是液体在薄板表面的接触角值。

测量时，假设接触角值为零，可以通过获得的F值由计算出γ值，通过测量获得的作用力F，在已知液体的表面张力值γ和液体润湿总周长l时，可以计算得到接触角值θ。

这种测试方法对样品平整度要求低，适合粗糙表面、纤维材料（如织物、碳纤维），且能精准测动态接触角。

这种方式一般只适用于多孔/毛细管结构样品设计，是通过将样品（如滤纸、多孔陶瓷）垂直插入液体，液体因毛细作用上升，通过测“上升高度随时间的变化”，结合液体黏度、密度等，用动力学公式间接算接触角。

核心用于评估多孔材料的渗透性，比如电池隔膜对电解液的浸润性、土壤吸水性。

与前几种方式不同的是，该方法是针对超亲水或易铺展的情况的测试，在这种情况下液体无法形成常规座滴，而是“躺平”成薄液层，通过高精度图像分析液层边缘轮廓，计算极小平坦液层与固体的接触角，解决了座滴法无法捕捉低接触角轮廓的问题。

1、直接观测法：使用显微镜或高分辨率相机直接拍摄液滴在固体表面上的图像，然后通过图像处理软件测量接触角。这种方法简单直观，但精度受设备分辨率和操作技巧的影响。

2、称重法：通过测量液滴在固体表面上增加或减少质量时所引起的角度变化来间接计算接触角。这种方法适用于需要精确控制液滴体积的实验场景。

3、光学干涉法：利用光的干涉原理，通过观察液滴与固体表面形成的干涉条纹来计算接触角。这种方法具有高精度和高灵敏度，但需要专业的设备和复杂的操作过程。

4、动态分析法：通过监测液滴在固体表面上的扩散、渗透或蒸发等动态过程，结合数学模型来计算接触角。这种方法能够提供更丰富的信息，如液滴的动态行为、表面能的分布等。

DOI：10.1038/s41467-025-62119-9

该文章通过“纳米级箭羽修饰（nanoscale fletching）”技术，在聚二甲基硅氧烷（PDMS）刷上引入单个三氟甲基（-CF₃）基团，实现与短链PFAS相当的疏油性，同时大幅降低氟含量来解决毒性和生物累积性问题。

材料制备：首先在硅片上生长PDMS刷，接着通过氧等离子体处理将表面甲基（-CH₃）部分转化为硅醇基（-SiOH），通过气相沉积引入3,3,3-三氟丙基二甲基氯硅烷（CF₃修饰剂），使-SiOH与-CF₃结合，形成“箭羽修饰”结构。

性能测试：对低表面张力油（表面张力20~28mN/m）的前进接触角表征结果显示：CF₃修饰的PDMS刷接触角（如十六烷≈52°）显著高于未修饰PDMS刷（≈37°）和CF₃修饰剂自组装单分子层（SAM，≈42°），证明其疏油性提升。

同时CF₃修饰PDMS刷的接触角滞后（≈2°）略大于未修饰PDMS刷，但前进/后退接触角均更高（如辛烷：45°/43° vs 38°/36°），说明疏油基础更好。

同时，从图中可以看出前进/后退接触角随处理时间增加而增大，15s时分别达52°/48°，之后趋于稳定，表明表面-CF₃密度达到最大疏油性。

结论：所制备的CF₃修饰PDMS刷比原来的短链PFAS具有更好的疏油性，同时还通过降低氟含量来解决毒性和生物累积性问题。

【高端测试 找华算】

华算科技是专业的科研解决方案服务商，精于高端测试。拥有10余年球差电镜拍摄经验与同步辐射三代光源全球机时，500+博士/博士后团队护航，保质保量！

🏅已助力5️⃣0️⃣0️⃣0️⃣0️⃣➕篇科研成果在Nature&Science正刊及子刊、Angew、AFM、JACS等顶级期刊发表！

👉立即预约，抢占发表先机！