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固體表面的潤濕現(xiàn)象，指的是液體在固體表面鋪展并發(fā)生滲透的過程，其本質(zhì)在于液體與固體表面之間存在的相互作用力。目前，關(guān)于固體表面潤濕性能的研究，大多依托于三大經(jīng)典模型，即 Young 模型、Wenzel模型以及Cassie - Baxter 模型。如下圖所示：
圖1 三種潤濕模型示意圖
1、Young 模型
固體表面的潤濕狀況，主要取決于液體在固體表面的擴(kuò)散方式，并且能夠通過接觸角直觀地呈現(xiàn)出來。在經(jīng)典的Young模型里，楊氏方程揭示了接觸角θ與固-液、固-氣以及液-氣界面表面張力之間的內(nèi)在聯(lián)系，具體如圖1中(a)所示。楊氏方程如下所示：
楊氏方程
在上述公式中，θγ表征的是液體于固體表面所形成的接觸角；γSV代表的是固-氣界面的表面張力；γSL表示的是固-液界面的表面張力；γLV則表示液-氣界面的表面張力。
當(dāng)θγ大于90°時，意味著固體表面張力小于液體表面張力，此時固體表面展現(xiàn)出疏水特性；當(dāng)θγ 小于90°時，表明固體表面張力大于液體表面張力，此時固體表面呈現(xiàn)出親水特性。
2、Wenzel模型
Wenzel模型是建立在粗糙表面上提出的潤濕模型，揭露了固體表面粗糙度與接觸角θw的關(guān)系，如下所示：
Wenzel模型方程
其中，θw為粗糙表面的接觸角；θγ代表液體在光滑固體表面的接觸角；r為材料表面的表面粗糙因數(shù)，其值為實(shí)際接觸面積與表觀接觸面積之比。Wenzel模型指出對于表面粗糙的固體，液體可以完全浸入粗糙的凹槽中并填充，從而導(dǎo)致實(shí)際固體表面的固液接觸面積大于固體表面上看到的固液接觸面積，因此r≥1。通過該模型可以看出親水表面的粗糙程度越大表面越親水，相反的，疏水表面粗糙程度增加則會導(dǎo)致表面越疏水。
3、Cassie-Baxter模型
當(dāng)粗糙固體表面存在多孔結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致固-液界面之間存在空氣，固體表面并沒有被液體完全潤濕，而是被空隙中存在的空氣所支撐，這種情況下形成的固-液-氣界面更為復(fù)雜，Cassie-Baxter模型也就應(yīng)運(yùn)而生，新的理論方程如下所示：
其中，θC-B 表示該模型下粗糙表面接觸角；f1和f2分別代表固-液和液-氣兩相界面在接觸面上的所占比例，并且滿足 f1+f2=1。
4、結(jié)論
三大經(jīng)典模型各有特點(diǎn)，也適用于不同的場景。其中，楊氏方程主要適用于光滑表面，這是一種理想狀態(tài)，但影響固體表面潤濕情況的因素通常有三個，即固體自身的表面能、表面粗糙度和表面均勻性。 故Wenzel 模型和 Cassie-Baxter 模型兩種模型是更針對粗糙表面的潤濕模型，但與 Wenzel模型相比，Cassie-Baxter模型強(qiáng)調(diào)減少固-液的接觸面積來展現(xiàn)粗糙表面的潤濕情況，更符合液體與固體表面的實(shí)際接觸狀態(tài)。
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