本文運(yùn)用現(xiàn)代儀器(FTA200動態(tài)接觸角測量儀)測量了15個(gè)天然和合成寶玉石品種(鉆石、合成碳硅石、合成立方氧化鋯、碧璽、托帕石、翡翠、琥珀等)，以及經(jīng)覆膜和充填2種處理方法的寶玉石樣品(鍍膜鉆石、覆膜托帕石、覆膜翡翠、覆膜琥珀、充填碧璽)的表面接觸角，并運(yùn)用公式計(jì)算其表面張力。

接觸角的測量方法根據(jù)直接測量物理量的不同可以分為量角法、透過法、測力法和長度法。量角法直觀，但測試結(jié)果受操作者影響，誤差較大；透過法適用于固體粉末；測力法運(yùn)用電子天平，讀數(shù)較精確，德國KRUSS公司的動態(tài)表面能分析儀基于此方法設(shè)計(jì)制造；長度法形式之一的小液滴法(球冠)是當(dāng)液滴足夠小時(shí)，重力可以忽略，液滴是理想的球冠型，測量在固體平面上小液滴的高度(h)和寬度(2r),二者關(guān)系可以表示為如下公式：

sinθ=2hr/(h2+r2)（1)

通過測量h和r，可以根據(jù)公式(1)計(jì)算出接觸角θ。本次實(shí)驗(yàn)采用的美國FTA公司的表面張力動態(tài)接觸角分析系統(tǒng)依據(jù)此原理設(shè)計(jì)制造。該方法受操作者影響較小，誤差小，但公式(1)需滿足一些假設(shè)條件，這些條件在實(shí)際測量中可能無法滿足，如液滴的體積不是非常小，重力影響不能忽略，液滴在粗糙表面、多相表面的接觸角不是軸對稱，因此會帶來一些誤差。

本次實(shí)驗(yàn)選用運(yùn)用此原理的美國FTA儀器，是基于被測樣品的特點(diǎn)，寶玉石本身體積小，對測試液滴的尺寸要求較小，且寶玉石表面經(jīng)過拋光后較為光滑，可能造成的誤差較小。

測量方法

測量儀器

儀器選用可測量被測物體的表面張力和接觸角的表面張力測試儀，該儀器能夠精確地顯示液滴的外觀，并裝備了易于調(diào)整的樣品臺，內(nèi)置計(jì)算機(jī)控制的進(jìn)樣系統(tǒng)定位方便，可控制小劑量給樣。使用的控制液滴大小的測試針頭是27 Gauge。

實(shí)驗(yàn)樣品及測量過程

(1)實(shí)驗(yàn)樣品

本次實(shí)驗(yàn)選用鉆石、鍍膜鉆石、合成碳硅石、合成立方氧化鋯(CZ)、紅寶石、合成紅寶石、藍(lán)寶石、合成藍(lán)寶石、橄欖石、透輝石、長石、黃水晶、碧璽、充填碧璽、托帕石、覆膜托帕石、翡翠、覆膜翡翠、琥珀、覆膜琥珀共計(jì)21粒。

選用去離子水作為檢測液體。

實(shí)驗(yàn)儀器誤差為1%。

(2)測量過程

在相同實(shí)驗(yàn)條件下分別對21粒待測樣品逐一清洗，進(jìn)行測試并記錄數(shù)據(jù)。具體測量步驟如下。

①用酒精清潔樣品表面。

②將待測樣品放置在樣品臺上，固定寶石并使寶石待測表面水平。

③使用計(jì)算機(jī)軟件調(diào)節(jié)控制液體體積及液滴速率，待液滴穩(wěn)定后，微調(diào)樣品臺，使液滴與樣品臺上的樣品觸碰，測量樣品的接觸角。

本次實(shí)驗(yàn)已知水的表面張力72.8 mN/m(20℃)，利用公式計(jì)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(lán)寶石60.1 mN/m，合成藍(lán)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(shù)值的差異可以看出，部分不同品種寶玉石的表面張力數(shù)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(shù)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(shù)值僅可作為寶玉石品種的輔助鑒定依據(jù)。