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表面張力和接觸角的關系|寶玉石接觸角的測量結果和表面張力計算方法（三）
來源：巖礦測試 瀏覽 135 次 發布時間:2025-11-14
3.1.4測量接觸角數值的影響因素
接觸角值的測量與樣品表面性質(粗糙程度、表面單一程度)，表面清潔程度，表面干燥程度及液滴接觸時間、液體種類、液滴體積等均有關系，此外，測量儀器的精準度也是重要影響因素之一。本次實驗采用測試液體為去離子水，較Nassau博士等采用的蒸餾水干擾更小，測試結果更精準，若條件允許，最佳的測試液體為高純水(二次蒸餾水)，以去除干擾保證實驗的準確性；采用酒精統一清潔并干燥了測試樣品，與Nassau等采用的清洗劑三氯甲烷不同，清洗劑的影響本文尚未深入研究；測試儀器采用現代表面張力動態接觸角分析系統美國FTA200，該儀器較Nassau等當時的小型簡單裝置有著絕對優勢，儀器對于液滴接觸時間和液滴體積的控制精準，測量數值誤差相對較小。與此同時，測量實驗顯示出該儀器對于珠寶玉石表面接觸角的測量尚有欠缺，若可在儀器中添加高倍顯微鏡模塊，利用高倍顯微鏡觀察珠寶玉石表面的細微之處的同時配合更細的針頭，對于珠寶鑒定領域將更加適用。
3.2表面張力的計算
根據張遠超等在研究高聚物表面張力時，采用液態純凈水利用上述公式(3)計算得出的表面張力數值具有很好的一致性，利用測量的各品種寶玉石的接觸角，根據式(3)計算其表面張力。
式中，γSG為固體表面張力，γLG為液體表面張力。
本次實驗已知水的表面張力72.8 mN/m(20℃)，利用公式計算得出各寶玉石品種的表面張力分別為：鉆石67.4 mN/m，合成碳硅石68.6 mN/m，合成立方氧化鋯(CZ)71.5 mN/m，紅寶石60.5 mN/m，合成紅寶石58.8 mN/m，藍寶石60.1 mN/m，合成藍色寶石60.3 mN/m，橄欖石66.6 mN/m，透輝石70.5 mN/m，長石71.2 mN/m，黃水晶71.5 mN/m，碧璽67 mN/m，托帕石72.3 mN/m，翡翠70.4 mN/m，琥珀49.9 mN/m。從表面張力數值的差異可以看出，部分不同品種寶玉石的表面張力數值有較大差異，如鉆石67.4 mN/m，紅寶石60.5 mN/m，琥珀49.9 mN/m；也有部分其表面張力數值較為接近，如長石71.2 mN/m，黃水晶71.5 mN/m。因此，表面張力數值僅可作為寶玉石品種的輔助鑒定依據。
4.表面接觸角測量方法與傳統檢測方法的對比
4.1與紅外光譜檢測方法對比
目前在各大珠寶鑒定實驗室，紅外光譜檢測已成為日常檢測中最高效的檢測方法之一，能夠基本解決日常的檢測疑難問題，但對于某些樣品須進行破壞性測試。例如，對于近來大規模出現的覆膜琥珀，實驗室均采用紅外光譜測試配合放大檢查、紫外熒光等常規寶石學測試進行鑒別，對無色覆膜琥珀必須進行有損檢測。本次實驗對樣品019、020、021分別進行了紅外光譜測試(粉末法)，如圖4所示，覆膜琥珀021、020與天然琥珀019在650~1300 cm-1區域(圖中陰影部分)內吸收峰有明顯差異，依此可進行判別。
圖4樣品019、020、021的紅外吸收光譜(KBr粉末法)
a—樣品021琥珀覆棕紅色膜；b—樣品020琥珀覆藍綠色膜；c—樣品019天然琥珀。
運用FTA200動態接觸角儀對覆膜琥珀表面接觸角的測量可以在不破壞樣品的基礎上進行快速的無損檢測，且測試結果差異明顯，琥珀(92.49°)，覆膜琥珀(63.35°、69.48°，平均值為66.49°)。表面接觸角測量方法可以作為覆膜琥珀無損檢測的有效鑒定手段。
4.2與折射率測量方法對比
折射率測量方法是常規寶石鑒定中最基礎、最便捷有效的檢測方法之一，能夠基本解決所有寶玉石品種的基礎數據測定，但折射率大于1.81的接觸液具有極強的腐蝕性和劇毒，因此對于高折射率寶石的測定帶來困難。例如，鉆石的折射率為2.417，合成碳硅石2.648~2.691，合成立方氧化鋯(CZ)2.15±，折射率無法測定。
運用FTA200動態接觸角儀對表面接觸角的測量，可以有效地區分鉆石(56.68°)、合成碳硅石(52.63°)、合成立方氧化鋯(37.79°)等不同品種。表面接觸角測量方法安全環保，可以很好地解決高折射率寶石的品種鑒定，可作為實驗室有效檢測方法和實驗室檢測的輔助鑒定依據。
5.結語
本次實驗測量了15個天然、合成寶玉石品種，以及覆膜處理和充填處理2種處理方法共計21粒寶玉石樣品的接觸角數值，并對經過覆膜處理的寶石與天然寶石的表面接觸角進行了對比研究，同時與紅外光譜和折射率傳統常規檢測方法進行比較。實驗結果表明，動態接觸角測量儀測量準確、操作簡便，且符合寶玉石無損鑒定的基本原則，具有紅外光譜和折射儀測量缺陷的明顯優勢。不同品種和不同處理方法的寶石，運用其接觸角和表面張力的差異性可進行較好的判別，尤其是對于表面覆膜處理的樣品可進行有效區分。
本文對寶玉石的接觸角和表面張力領域的初步探討，研究結果可以為解決寶玉石表面覆膜等與表面物性相關的檢測疑難問題提供參考。實驗發現，充填處理寶玉石接觸角的測量受測試條件限制具有較大操作難度，本項目組設想若在儀器中添加高倍顯微鏡模塊，方便觀察樣品微細特征的基礎上可以開展更深入的研究，對各類珠寶玉石材料采集表面物性數據，實現科學準確、快速有效的測試和鑒別。