3污層表面張力及其與憎水性的關系

針對1.2節中所述的6種不同鹽密和灰密的污層測量表面張力，并記錄水在污層上的靜態接觸角。染污硅橡膠試片的表面張力測試液體為去離子水和甘油。

附著在污層表面上的液滴會溶解污層中的鹽分，代入計算中的液體表面張力并不是去離子水的液體表面張力，而是一定濃度鹽溶液的表面張力，因此需要對計算中所用的液體表面張力進行修正。而由于氯化鈉在甘油中的溶解度較低，可認為沒有鹽分吸收過程而液滴表面張力保持不變，不用進行修正。

液體表面張力的修正的思路為：測量每個液滴的接觸角后，通過幾何參數計算液滴和污層接觸面的面積。假設NaCl溶解性強，液滴會完全吸收接觸面積中的鹽分，根據污層的鹽密，計算得液滴的濃度，并根據2.1節中NaCl鹽溶液濃度和表面張力的關系，獲得液滴的表面張力。

在憎水角測試儀中可以觀測到落在污層表面的液滴形態，將其近似為球冠形，建立球冠的高度和半徑的幾何關系，得到球缺底面積與體積和接觸角的方程：

根據球冠的幾何參數，通過已知的接觸角和液滴體積，通過公式（7），計算液滴底面積，乘以相應污層鹽密，得到液滴體積2時的液滴濃度。

由2.1節可知，NaCl鹽溶液在微小的濃度變化下，其濃度和表面張力的關系呈線性變化，并且2.1節中NaCl鹽溶液濃度范圍可包括本項試驗中不同污層上液滴的濃度。因此通過該線性關系，代入計算出的液滴濃度，獲得相應的表面張力，完成液體表面張力的修正，結果如表3所示。水的接觸角和表面張力隨鹽密和灰密的變化規律如圖5所示。

在低灰密的情況下，鹽密增大，污層表面張力增大，水的接觸角減小，并且鹽密的增大使得接觸角的降低幅度較為顯著；在高灰密的條件下，鹽密增大，污層表面張力增大，但是考慮了表面粗糙性等原因，液滴不易擴散，因此液滴接觸角仍可保持較大的情況。并且在低灰密時鹽密增大對接觸角的影響更顯著。

表面張力可反映液體和固體本身的性質，并且接觸角對于表面張力的變化是敏感的。通過對比水在6種污層上的接觸角和5種濃度的NaCl溶液在潔凈硅橡膠表面的接觸角，可以發現，污層鹽密增大，液滴表面張力增大，接觸角減小；而5種濃度的NaCl鹽溶液的表面張力增大，其在潔凈硅橡膠表面的接觸角增大。因此，即使液滴的濃度增加，表面張力增大，其接觸角的變化規律并不一致，還受到固體表面張力的影響。并且在相同灰密時，隨著鹽密增大，液體和固體表面張力都增大，但接觸角和固體表面張力相關性更強，因此染污硅橡膠表面液滴的接觸角受污層表面張力的影響更為顯著，而對液體表面張力變化更不敏感。

4結論

通過測量不同鹽液滴的表面張力和其在潔凈表面上的接觸角，并測量污層表面張力和水在污層表面的接觸角，從固體和液體表面張力的角度研究了污層和液滴的性質對接觸角的影響程度。結果表明：

1）隨著濃度的增加，NaCl鹽溶液表面張力增大，并且在潔凈的硅橡膠表面上的接觸角增大，且兩者的增大過程都呈飽和趨勢；對于NaCl與CaSO4混合鹽溶液，隨著CaSO4的比例提高，表面張力增大，在潔凈硅橡膠表面的接觸角升高。

2）對于染污絕緣表面，在相同灰密的情況下，隨著污層鹽密增大，污層表面張力增大，液滴自身表面張力也增大，接觸角減小；在高灰密條件下，憎水性仍保持較高水平，鹽密對憎水性的影響減弱。

3）在實際運行環境中，附污絕緣表面的液滴形態的變化過程是復雜的。污層表面的水滴吸收了一定的鹽分，液體表面張力增大，使得接觸角有變大的趨勢，更容易形成獨立的水滴；但是在相同灰密情況下，鹽密增大，固體表面張力增大，接觸角會減小。通過對比試驗結果，污層上液滴的接觸角對固體表面張力的變化比液體表面張力變化更加靈敏。