润湿作用 · 2020. 2. 10. · 小结: (1)无论哪一种润湿都是界面现...
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第六章
润湿作用
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6.1 润湿过程
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润湿过程可分为三类:
沾湿(adhesion)
浸湿(immersions)
铺展(spreading )
润湿(wetting)是指在固体表面上 一种液体取代另一种与之不相混溶的 流体的过程。
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(1)沾湿:液体与固体由不接触到 接触,变液气界面和固气界 面为固液界面的过程
a sgW lg sl-
aW :粘附功>0自发
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(2)浸湿:固体浸入液体的过程。(洗衣时泡衣服)固气界面为固液界面替代。 :浸润功>0自发
sg iG W sl-
,
iW
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(3)铺展:以固液界面取代固气界面同时,液体表面扩展的过程。
铺展系数 0sgS sl lg 时自发
2sg a a c iS W W W W A sl lg lg lg lg
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小结: (1)无论哪一种润湿都是界面现 象,其过程实质都是界面性质 及界面能量的变化
0a sgW lg sl-
0sg sl-
0sgS sl lg(3)固气和固液界面能对体系的三种 润湿作用的贡献是一致的。
(2)对比三者发生的条件 沾湿: 浸湿: 铺展:
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将液体滴于固体表面上,液体或铺展或覆盖于表面,或形成一液滴停于其上,此时在三相交界处,自固液界面经液体内部到气液界面的夹角就叫做接触角。
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6.2 接触角与润湿方程
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Young方程
sg sl lg- = cos
沾湿
浸湿
铺展
习惯上将 =90°定义润湿与否标准
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6.3 接触角的测定
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(一)角度测量法(量角法)
(1) 切线法
(3)光点反射法
(2) 斜板法
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(二)长度测量法
(2)大滴法(液饼法)
(1)小滴法
(3)垂片法 皆是通过与 相关长度测量 计算得到。
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(三)力测量法:
0lg0
cos cosf
f Pf
周长 ;
吊片法:
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(四)透过测量法:(粉末的 )
(1)透过高度法
(2)透过速度法
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6.4 影响接触角测定的一些因素
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(1)前进角与后退角
固液界面取代固气界面后形成的接触角叫做前进角a
而气固界面取代固液界面形成的接触角叫做后退角R
通常后退角小于前进角。
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造成接触角滞后的主要原因是表面不平和 表面不均匀(污染)。 Harkins仔细研究了石墨、滑石、硫化锑及 石腊等样品,通过精心准备,精心测量,得 到结果表明前进角与后退角的差别在实验误 差内。结论:前进角和后退角的差异是样品 制备不当和测量技术不佳的结果。
倾斜玻璃上的水滴(右图)
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(2)表面不均匀性
一般前进角反映与液体亲合力弱的那部分固体表面润湿性,而后退角则反映与液体亲合力较强的那部分固定表面润湿性。
如果液体表面由对液体具有不同亲和力的a、b两部分 组成,两者各占有表面分数xa和xb。这种表面称为复 合表面。
cos cos cosa a b bx x
sg a bsg a sg bx x sl a bsl a sl bx x lg cossg sl
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(3)表面粗(糙)度
固体表面粗糙是造成接触角滞后的重要因素
固体表面粗糙是造成接触角滞后的重要因素。 Φ值表示表面粗糙的程度。由表中可以看出: 中值越大,a- R越大,接触角滞后液体在 不同粗糙度的石腊表面上的a- R
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液体
0° 30° 45° 60°
水 11 30 48 64
CaCl2溶液 10 24 34 49
甘油 7 23 44 77
乙二醇 7 28 54 103
甲基溶纤素
20 64 82 93
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Wenzel研究了固体表面粗度对润湿性的影响,指出: 一个给定的几何面粗化以后必具有较大的真实面积,用粗度因子表示真实表面积与表观面积之比,润湿方程经粗度较正为:
lg cossg slr ’ :粗糙表面接触角
cos / cos 1r Wenzel方程 故
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上式表明:粗糙表面的接触角余弦函数(绝对)值总是比平滑表面的绝对值大,即>90°时表面粗化将使变大,而<90°时表面粗化将使变小。
提示:对于具有润湿性的体系,表面粗化对体系润湿性起促进作用。而对于不能相互润湿的体系,表面粗化则使体系更不润湿。 例如:吊片法——打毛。 防水材料——保持表面粗糙
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6.5 固体的润湿性质
(一)低能表面与高能表面
实际关心问题: (1)什么样的固体被润湿,或不被润湿 (2)什么样的液体具有好的润湿性
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将固体分为两大类:凡
>100mNm-1,叫做高能表面 sg
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(二)低能表面的润湿性质
lgcos 做图可
得到一很好的直线,外推至 =1处,相应的液体表面张力值指示:此液体系列中 此值者,皆不能在此固体上自行铺展。只有同系物中 此值时方可在此固体上铺展,故此值 叫做该固体的临界润湿表面张力(临界表面张力)。
cos
c
(1)Zisman等人发现:同系列液体在同一 固体表面上的接触角
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(2)固体的润湿性质(规律) ①固体的润湿性与分子极性有关。在CH,CF化合物中,极性化合物的可润湿性显著优于相应的完全非极性化合物。
②高分子固体的润湿性与其分子的元素组成有关。在CH链中加入各种杂原子增进固体可润湿的能力。F<H<C1<Br<I<O<N;取代越多,影响越大,(注意F原子加入会降低固体可润湿性)
③固体的润湿性质取决于固体表面层原子或原子团的性质及排列情况,与基质无关,一定的表面基团对应于一定的。
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(三)高能表面的自憎现象
当有机液体的分子在高能表面上发生吸附,并形成定向排列的吸附膜,被吸附的两亲分子以亲水基团固定于固体表面,而以疏水基团构成最外层,使高能表面的组成、结构发生变化,从而变成低能表面。当 时,这些液体便不能在自身的吸附膜上铺展。这种现象称做高能表面的自憎现象。
c lg
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(四)表面活性剂对润湿性的影响
润湿剂:加入SAa提高液体的润湿能力
固体表面改性剂:通过表面活性剂在固体上的吸附改变固体表面性质
A:高能变低能表面(吸附层) B:疏水变亲水
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6.6 固体润湿现象应用
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(1)防水 普通棉布 阳离子 大雨不透湿
氟SAa
(2)矿物浮选