3污层表面张力及其与憎水性的关系

针对1.2节中所述的6种不同盐密和灰密的污层测量表面张力，并记录水在污层上的静态接触角。染污硅橡胶试片的表面张力测试液体为去离子水和甘油。

附着在污层表面上的液滴会溶解污层中的盐分，代入计算中的液体表面张力并不是去离子水的液体表面张力，而是一定浓度盐溶液的表面张力，因此需要对计算中所用的液体表面张力进行修正。而由于氯化钠在甘油中的溶解度较低，可认为没有盐分吸收过程而液滴表面张力保持不变，不用进行修正。

液体表面张力的修正的思路为：测量每个液滴的接触角后，通过几何参数计算液滴和污层接触面的面积。假设NaCl溶解性强，液滴会完全吸收接触面积中的盐分，根据污层的盐密，计算得液滴的浓度，并根据2.1节中NaCl盐溶液浓度和表面张力的关系，获得液滴的表面张力。

在憎水角测试仪中可以观测到落在污层表面的液滴形态，将其近似为球冠形，建立球冠的高度和半径的几何关系，得到球缺底面积与体积和接触角的方程：

根据球冠的几何参数，通过已知的接触角和液滴体积，通过公式（7），计算液滴底面积，乘以相应污层盐密，得到液滴体积2时的液滴浓度。

由2.1节可知，NaCl盐溶液在微小的浓度变化下，其浓度和表面张力的关系呈线性变化，并且2.1节中NaCl盐溶液浓度范围可包括本项试验中不同污层上液滴的浓度。因此通过该线性关系，代入计算出的液滴浓度，获得相应的表面张力，完成液体表面张力的修正，结果如表3所示。水的接触角和表面张力随盐密和灰密的变化规律如图5所示。

在低灰密的情况下，盐密增大，污层表面张力增大，水的接触角减小，并且盐密的增大使得接触角的降低幅度较为显著；在高灰密的条件下，盐密增大，污层表面张力增大，但是考虑了表面粗糙性等原因，液滴不易扩散，因此液滴接触角仍可保持较大的情况。并且在低灰密时盐密增大对接触角的影响更显著。

表面张力可反映液体和固体本身的性质，并且接触角对于表面张力的变化是敏感的。通过对比水在6种污层上的接触角和5种浓度的NaCl溶液在洁净硅橡胶表面的接触角，可以发现，污层盐密增大，液滴表面张力增大，接触角减小；而5种浓度的NaCl盐溶液的表面张力增大，其在洁净硅橡胶表面的接触角增大。因此，即使液滴的浓度增加，表面张力增大，其接触角的变化规律并不一致，还受到固体表面张力的影响。并且在相同灰密时，随着盐密增大，液体和固体表面张力都增大，但接触角和固体表面张力相关性更强，因此染污硅橡胶表面液滴的接触角受污层表面张力的影响更为显著，而对液体表面张力变化更不敏感。

4结论

通过测量不同盐液滴的表面张力和其在洁净表面上的接触角，并测量污层表面张力和水在污层表面的接触角，从固体和液体表面张力的角度研究了污层和液滴的性质对接触角的影响程度。结果表明：

1）随着浓度的增加，NaCl盐溶液表面张力增大，并且在洁净的硅橡胶表面上的接触角增大，且两者的增大过程都呈饱和趋势；对于NaCl与CaSO4混合盐溶液，随着CaSO4的比例提高，表面张力增大，在洁净硅橡胶表面的接触角升高。

2）对于染污绝缘表面，在相同灰密的情况下，随着污层盐密增大，污层表面张力增大，液滴自身表面张力也增大，接触角减小；在高灰密条件下，憎水性仍保持较高水平，盐密对憎水性的影响减弱。

3）在实际运行环境中，附污绝缘表面的液滴形态的变化过程是复杂的。污层表面的水滴吸收了一定的盐分，液体表面张力增大，使得接触角有变大的趋势，更容易形成独立的水滴；但是在相同灰密情况下，盐密增大，固体表面张力增大，接触角会减小。通过对比试验结果，污层上液滴的接触角对固体表面张力的变化比液体表面张力变化更加灵敏。