材料表面与界面湿润现象教学PPT课件.pptx

1.9 润湿现象 （液－固表面）接触角：在三相交界处自固-液界面经过液体内部到气-液界面的夹角叫 接触角，以θ表示。（1）θ=0，完全润湿，液体在固体表面铺展。（2）0θ90°，液体可润湿固体，且θ越小，润湿越好。（3）90°θ180°, 液体不润湿固体。（4）θ=180°，完全不润湿，液体在固体表面凝成小球。Young方程1.9.1 粘附功和内聚能在这一过程中，外界所做的功 Wa为:Wa是将结合在一起的两相分离成独立的两相外界所做的功，称作粘附功。若将均相物质分离成两部分，产生两个新界面，则前式中，σα=σβ，σαβ=0。则：Wc称作内聚功或内聚能，物体的内聚能越大，将其分离产生新表面所需的功也越大。Young-Dupre 公式对固液界面，粘附功： WSL= σS+ σL- σSL考虑到与气相平衡: WSL= σSG + σLG - σSLYoung方程：（θ=0°）Young-Dupre方程：它将固-液之间的粘附功与接触角联系起来。 （θ=180°）1.9.2 润湿过程的三种类型粘附润湿；浸湿；铺展润湿。粘附润湿液体直接接触固体，变气-液表面和气-固表面为液-固界面的过程。 粘附润湿设液体粘附在固体上的面积为a，在等温等压条件下，由热力学可得在该过程中的表面自由焓降低为：（1.9.1）粘附功Wa ：粘附润湿过程的“推动力”等于系统在粘附过程中形成单位液-固界面时自由焓的降低值，即：粘附功也可理解为：将单位液-固界面分开为单位气-固与气-液表面时所需的可逆功，显然Wa越大则液-固界面的粘附越牢固。任何使σSL减小的作用都可增大发生粘附的倾向与增加粘附的牢度。但任何使σSG 或σLG减小的因素都产生减弱粘附倾向并降低其牢度。浸湿过程浸湿过程是原来的气-固表面为液-固界面所代替。（1.9.3）令A=σSG-σSL为粘附张力，由热力学平衡准则可知，只有A0的过程才能发生浸湿。A0为不能浸湿。铺展润湿过程铺展润湿是液体与固体表面接触后，在固体表面上排除空气而自行铺展的过程，亦即一个以液/固界面取代气/固界面同时液体表面也随之扩展的过程。液体从C自发铺展至B，覆盖面积为a，则相应的自由焓变化为：若σSG-(σSL+σLG)0,则?Gs/a为负，液体能在表面上自行铺展。反之，若σSG-(σSL+σLG)0,则?Gs/a为正，液体不能在表面上自行铺展。 定义 为铺展系数SL/S。在恒温恒压下， SL/S≥0时，液体取代固体表面上的空气而自由铺展。 改写为： 式中Wc=2σLG为液体的内聚能。若SL/S≥0，则Wa≥Wc。当固/液的粘附功大于液体的内聚能时，液体可以自行铺展在固体表面上。（1.9.5）应用粘附张力A=σSG-σSL的概念，则铺展系数SL/S可表示为当粘附张力大于液体表面张力时，可以发生铺展. （1.9.6）润湿过程的比较σSG=σSL+σLGcosθ以上三种润湿发生的条件可归纳如下：粘附润湿：浸湿：铺展润湿： 上式中都涉及粘附张力 A=σSG-σSL。显然，σSG越大，σSL越小， （σSG-σSL）差值就越大，越有利于润湿。对粘附润湿，增大σLG有利，对于浸湿， σLG的大小不起作用。对铺展润湿来说，减少σLG是有利的。1.9.3 固体表面的润湿性质一、 低能表面的润湿性质Zisman发现对于同系液体，cosθ通常是σLG的单调函数： 以cosθ对σLG作图可得一直线，将直线延长至cosθ=1处，可得一个σLG值，这个值称为临界表面张力σC。（1.9.7） 临界表面张力（左）正构烷烃对聚四氟乙烯的润湿（20oC）（右）液体对低能表面润湿（20oC）.（a）聚氯乙烯；（b）聚偏二氯乙烯σc：反映低能表面润湿性能的重要的经验参数。只有表面张力等于或小于某固体的σc的液体才能在固体表面上铺展。固体的σc越小，要求能润湿它的液体的表面张力就越低，该固体就越难润湿。一些有机固体的σc固体表面?c (mN/m)固体表面?c (mN/m)聚甲基丙烯酸全氟辛酯 10.6聚甲基丙烯酸甲酯39聚四氟乙烯18聚氯乙烯39聚三氟乙烯22聚偏二氯乙烯40聚偏二氟乙烯25聚酯43聚乙烯31尼龙6646聚苯乙烯33甲基硅树脂20聚乙烯醇37石蜡26聚氟乙烯28正三十六烷22二、高能表面的润湿现象高能表面原则上能被一般液体润湿或铺展。自憎液体：液体的表面张力比定向单分子层的临界表面张力高，则液体在自身的单分子层表面上不能铺展。具有这种性质的液体称为自憎液体。一些自憎液体在高能表面上的接触角（20oC）液体?LV (mN/m)Θ (度)不锈钢铂石英α-Al2O3辛醇-127.835424243辛醇-226.7142930262-乙基己醇-126辛酸29.2344232432-乙基己酸27.8