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润湿是粉末及多孔材料在矿物加工、药学、食品科学和农业等领域的关键初始步骤。本文系统综述了表面异质性、颗粒尺寸分布及结构非均匀性对润湿行为的影响，探讨了Young方程、接触角滞后及动态润湿的理论框架，并分析了毛细上升法、液滴接触法、X射线计算机断层扫描等实验方法的适用性及局限性。研究强调需根据应用场景和材料特性选择合适方法，指出多孔材料润湿行为复杂且需考虑接触角分布而非单一参数。
Hans-Jürgen Butt
马克斯·普朗克聚合物研究所，Ackermannweg 10，美因茨，55128，德国
摘要
液体对粉末或多孔材料的润湿是分散、溶解、造粒和重组等过程的关键第一步，这些过程在矿物加工、制药和食品科学等领域非常重要。它对于农业中的土壤水化也至关重要。此外，润湿对于高效石油回收也很重要，未来可能有助于将二氧化碳（CO?）储存在地下。本文全面回顾了粉末和颗粒材料的润湿现象，强调了表面不均匀性、颗粒大小分布和结构不均匀性所带来的复杂性。文章首先描述了在理想、平面或规则表面上的润湿现象，介绍了杨氏方程和接触角滞后等基本概念，以及表面粗糙度、不均匀性、动态效应、适应性和滑动带电的影响。随后分析了这些理论框架如何扩展到实际粉末上，在实际粉末中，单个接触角不足以表征润湿行为，需要测量整个接触角分布。文章讨论了几种用于表征粉末润湿性和表面能的实验方法，包括毛细上升法、静止滴落法和滴穿法、X射线断层扫描、二次离子质谱法、沉降法和滴落冲击法。文章指出了每种方法的局限性和适用性，并建议根据应用需求和粉末特性谨慎选择方法。
引言
表面和颗粒的润湿在日常生活和技术过程中无处不在。静态和动态接触角现象在印刷、涂装、除草剂和杀虫剂的施用、润滑和焊接中非常重要。对于颗粒和粉末而言，润湿作用主导着粉末的分散、水分渗入土壤的过程，以及皮克林乳液的稳定，并且在浮选过程中也是必不可少的。因此，寻找能够定量描述润湿过程的方法一直备受关注。
对于完美均匀、光滑、惰性和坚硬的表面，可以用简单的液体来描述其润湿行为。不幸的是，几乎没有这样的表面存在。粉末或多孔材料本质上具有结构性和不均匀性。由于大多数材料都是晶体或多晶的，因此它们的表面是不均匀的。不同晶面或化学成分不同的表面会暴露出来，导致实际润湿行为与理想情况有所不同。
本文讨论了如何表征和描述具有内在不均匀结构的颗粒和多孔材料的润湿特性。文中考虑了实验、理论和计算方法。虽然这些方法适用于所有液体，但这里主要关注最常见的液体——水。水具有极性，容易形成氢键，并能自离子化为OH?和H?，因此具有较高的表面张力、热容量、低粘度，且水-固体界面通常带电。
本文的结构如下：首先回顾了理想情况下的平面表面——即光滑、均匀、惰性和坚硬的表面，以及由杨氏方程给出的平衡接触角。接着讨论了接触角滞后现象，并将平面表面的描述扩展到具有移动直线的动态润湿过程。这种处理方法还适用于球体、管状物或纤维等其他几何形状。润湿与固体表面能密切相关，因此下一章介绍了如何测量固体表面能以及接触角与固体表面能各组分之间的关系。同时指出了相关假设的局限性和适用性。最后一章重点讨论了颗粒材料（如粉末或多孔岩石）的润湿特性，这类材料的表面本质上是粗糙和不均匀的，因此润湿过程更为复杂，需要测量接触角分布。文中描述了多种用于表征静态和动态润湿的方法，这些方法适用于不同的颗粒大小、润湿条件和时间尺度。选择合适的方法应根据具体应用进行。最后探讨了如何比较不同测试方法的结果以及这些方法之间的联系。
粉末的润湿对许多日常生活现象和应用至关重要；相关综述可参考[1]、[2]、[3]、[4]。应用包括：
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农业灌溉和肥料施用的土壤润湿，在气候变化背景下这一话题变得越来越重要。了解土壤的润湿特性对于预测地下水位、雨水排水和污染物修复也非常重要 [5]、[6]、[7]、[8]。
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矿物加工和浮选 [2]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。在浮选过程中，一个挑战是如何高效地浮选越来越小的颗粒。不仅干粉的润湿性质重要，已经分散的颗粒的润湿性质变化也很关键。
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在食品科学中，食品的干燥状态有助于提高稳定性、储存性和加工性 [14]。然而，为了将干粉重新转化为液体，通常需要快速复水 [15]、[16]。
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药品通常是通过干燥粉末制成的，服用时片剂需要快速重新水化 [17]、[18]、[19]、[20]。
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液体渗透纺织品、过滤器或卫生用品（如尿布）。
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当墨水印刷在纸张（包括用于生物传感的特殊纸张）或纺织品上时，溶剂应快速被纤维基材吸收 [21]、[22]、[23]。
理想情况下，润湿可以通过一个参数来表征：接触角。但实际上，测量到的接触角范围较广。这个范围受到后退接触角和前进接触角的限制。对于特定的表面-液体组合，考虑接触角以外的参数可能更有用。另一种方法是固体表面能或其分布。通常，比较测试就足够了。然后，可以通过渗透时间或沉降时间等指标来量化润湿性，从而便于比较不同材料或制备方法。对于特定应用，所选方法应具有高灵敏度和适当的动态范围。
本文首先描述了平面或规则表面的润湿基础原理，然后扩展到粉末、纤维或多孔材料的润湿现象。
杨氏方程
当液体与固体接触时，它会扩散或形成三相接触线。在后一种情况下，固体表面与液体表面之间的角度称为接触角。对于平坦、惰性、坚硬、均匀且光滑的固体表面，接触角现象通常由著名的杨氏方程（也称为杨-拉普拉斯方程 [24]、[25]）来描述。在全局热力学平衡状态下，接触角由界面自由能决定。
润湿压力
一般性评论
确定粉末接触角的三种常用方法是Washburn法、静止滴落分析和液体渗透法。在过去的十年中，X射线计算机断层扫描（CT）已成为研究多孔材料的有效工具。表面能可通过二次离子质谱法测定，化学成分可通过二次离子质谱法分析。此外，还有几种简单的方法，如沉降法或滴落冲击法。
结论
由于化学不均匀性、颗粒大小分布和多孔结构的复杂性，定量预测颗粒和多孔材料的润湿行为具有挑战性。对于平面表面或规则几何形状的物体，前进接触角和后退接触角适用于描述静态和动态润湿。但对于实际粉末来说，接触角分布和显著的滞后现象更为重要。
作者声明以下可能构成潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Hans-Jürgen Butt表示获得了国际细颗粒研究所（International Fine Particle Research Institute）的财务支持和差旅费用。其他作者声明没有已知的利益冲突。
致谢
本综述得到了国际细颗粒研究所（IFPRI）的支持。同时感谢Maja Rücker提供的建议以及Antj van der Net提供的图表。该项目还获得了欧盟“地平线2020”研究与创新计划（授权协议编号：883631）和Nanopaint（授权协议编号：955612）的资助。
