34固液界面(润湿作用)解读课件.ppt
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- 34 界面 润湿 作用 解读 课件
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1、3.3 固液界面(润湿作用)在等温等压条件下,单位面积的液面与固体表面粘附时对外所作的最大功称为粘附功,它是液体能否润湿固体的一种量度。粘附功越大,液体越能润湿固体,液-固结合得越牢。在粘附过程中,消失了单位液体表面和固体表面,产生了单位液-固界面。粘附功就等于这个过程表面吉布斯自由能变化值的负值。al sg lg-s()WG 粘附功(work of adhesion)浸湿功(work of immersion)等温、等压条件下,将具有单位表面积的固体可逆地浸入液体中所作的最大功称为浸湿功,它是液体在固体表面取代气体能力的一种量度。只有浸湿功大于或等于零,液体才能浸湿固体。在浸湿过程中,消失了
2、单位面积的气、固表面,产生了单位面积的液、固界面,所以浸湿功等于该变化过程表面自由能变化值的负值。il sg-si()0WGW 能浸湿。浸湿功(work of immersion)铺展系数(spreading coefficient)铺展系数(spreading coefficient)等温、等压条件下,单位面积的液固界面取代了单位面积的气固界面并产生了单位面积的气液界面,这过程表面自由能变化值的负值称为铺展系数,用S表示。若S0,说明液体可以在固体表面自动铺展。l-sl-gs-g()SG 1、接触角(contact angle)在气、液、固三相交界点,气-液与气-固界面张力之间的夹角称为接触
3、角,通常用q表示。g-ls-lg-scosq 若接触角大于90,说明液体不能润湿固体,如汞在玻璃表面;若接触角小于90,液体能润湿固体,如水在洁净的玻璃表面。接触角的大小可以用实验测量,也可以用公式计算:接触角(contact angle)接触角的示意图:接触角的测定1、角度测量法角度测量法 是一类应用最广、较方便简单、最直接的方法。其原理是一类应用最广、较方便简单、最直接的方法。其原理是用量角器直接量出三相交界处流动界面与固体平面的夹是用量角器直接量出三相交界处流动界面与固体平面的夹角。主要做法有投影法、摄影法、显微量角法、斜板法和角。主要做法有投影法、摄影法、显微量角法、斜板法和光点反射法
4、。光点反射法。(1)投影和摄影法投影和摄影法 (2)显微量角法显微量角法 用一安装有量角器和叉丝的低倍显微镜观察液面,直接用一安装有量角器和叉丝的低倍显微镜观察液面,直接读出角度。读出角度。(3)斜板法斜板法 原理是将固体板插入液体中,当板面与液原理是将固体板插入液体中,当板面与液面的夹角恰为接触角时,液面一直延伸至三相交界处而不面的夹角恰为接触角时,液面一直延伸至三相交界处而不出现弯曲,此夹角即为接触角。出现弯曲,此夹角即为接触角。接触角的测定(4)光点反射法光点反射法 原理是利用一个点光源照射到小液滴上,并在光源原理是利用一个点光源照射到小液滴上,并在光源 处观察反射光,当入射光与液面垂直
5、时,才能在液面处观察反射光,当入射光与液面垂直时,才能在液面看到反射光。测定时,使光点落在三相点位,并以此为看到反射光。测定时,使光点落在三相点位,并以此为中心,改变入射光角度,使之在固体表面的法平面中作中心,改变入射光角度,使之在固体表面的法平面中作圆周运动,当光线在某位置突然变亮时,入射光与固体圆周运动,当光线在某位置突然变亮时,入射光与固体平面法线的夹角即为接触角,此方法有较好的测量精度,平面法线的夹角即为接触角,此方法有较好的测量精度,可用于测定纤维的接触角,缺点是只能测定小于可用于测定纤维的接触角,缺点是只能测定小于90的的接触角。接触角。接触角的测定2、长度测量法长度测量法(1)小
6、滴法小滴法 测量在固体平面上小液滴的高度和宽度,根据测量在固体平面上小液滴的高度和宽度,根据 可求出可求出,此法假设液滴是球形的一部分。因此,只有在液滴很小,此法假设液滴是球形的一部分。因此,只有在液滴很小,重力的影响可略时才能应用。重力的影响可略时才能应用。(2)液饼法液饼法 将液体加于平固体表面使之成为液滴,不断增加液体量至滴高将液体加于平固体表面使之成为液滴,不断增加液体量至滴高达最大(即高度不变)此时若再加入液体则往两边扩展(达最大(即高度不变)此时若再加入液体则往两边扩展(r变变大),设平衡液滴是半径为大),设平衡液滴是半径为r,体积为,体积为V的圆形液饼,当外界给的圆形液饼,当外界
7、给予液饼予液饼微扰,在保持体积不变的情况下,其高度下降微扰,在保持体积不变的情况下,其高度下降h,半径扩大半径扩大r,最后体系又达平衡,由于此过程中,体系势能减,最后体系又达平衡,由于此过程中,体系势能减少,但表面自由能增加,且两者数值相等。少,但表面自由能增加,且两者数值相等。tan()2hrq接触角的测定2222222,()22()20,22,()2(cos1)cos122s lg lgss lg lgsmmms lg lgsmmmmg lg lVg hAr rAVg hr rVAhA hr rhrhghrhVhr rhhghghqq 接触角的测定(3)垂片法垂片法 将一固体片垂直插入液体
8、中液体沿片上升的将一固体片垂直插入液体中液体沿片上升的高度与高度与之间有如下关系。之间有如下关系。此关系可根据此关系可根据B-A方程推导得到方程推导得到。当。当、l-g已已知,只要测出知,只要测出h,便可得,便可得。2sin12lgghq接触角的测定3、力测量法力测量法 应用吊片法装置亦可测应用吊片法装置亦可测,当吊片正好接触液面时,液体,当吊片正好接触液面时,液体作用于吊片的力作用于吊片的力 f为为4、透过测量法透过测量法 主要用于固体粉末接触角的测量,其基本原理是,固体粒主要用于固体粉末接触角的测量,其基本原理是,固体粒子间的空隙,相当于一束毛细管,毛细作用使液体透入粉子间的空隙,相当于一
9、束毛细管,毛细作用使液体透入粉末中,由于毛细作用与液体的表面张力和对固体的接触角末中,由于毛细作用与液体的表面张力和对固体的接触角有关,故通过测定某种已知表面张力的液体在固体粉末中有关,故通过测定某种已知表面张力的液体在固体粉末中的透过,可得到接触角的透过,可得到接触角。cos coslglgffPPqq接触角的测定(1)透过高度法透过高度法 固体粉末装在一以多孔板为底的玻管中,液面在毛细作用固体粉末装在一以多孔板为底的玻管中,液面在毛细作用下沿管中粉末柱上升下沿管中粉末柱上升h。由上式可见,只要测得粉末间孔隙的平均半径由上式可见,只要测得粉末间孔隙的平均半径r及透过高度及透过高度h,即可结合
10、已知的,即可结合已知的 求求。但由于。但由于r值无法直接测定,故常值无法直接测定,故常用一已知表面张力,密度和对粉末接触角用一已知表面张力,密度和对粉末接触角为为0的液体来标的液体来标定。定。2cos cos2lglgghrghrqql g接触角的测定0000002 cos=l gl gl ghrghhq通过测定通过测定h h、h h0 0可求得可求得。使用此方法应注意粒子的使用此方法应注意粒子的均匀性及装填情况均匀性及装填情况。(2 2)透过速度法透过速度法 可润湿粉末的液体在粉末中上升可称为液体在毛可润湿粉末的液体在粉末中上升可称为液体在毛细管中的流动,其流动速度根据细管中的流动,其流动速
11、度根据PoiseullePoiseulle方程可得方程可得接触角的测定222coscos 82cos2dhrdhrdthdtrhtqqq 此式称为此式称为WashburnWashburn方程,如果在粉末柱接触液体后立方程,如果在粉末柱接触液体后立即测定即测定h ht t关系,以关系,以h h2 2t t作图,则从直线斜率得作图,则从直线斜率得 ,代入已知的代入已知的 (粘度),(粘度),r r(平均(平均半径),半径),可得可得。c o s2rq2、影响接触角测定的因素 前面介绍了一些常用的测定接触角的方法,实施时应注意前面介绍了一些常用的测定接触角的方法,实施时应注意以下两个问题:平衡时间和
12、体系温度的恒定,当体系未达平以下两个问题:平衡时间和体系温度的恒定,当体系未达平衡时,接触角会变化,这时的接触角称为动接触角,动接触衡时,接触角会变化,这时的接触角称为动接触角,动接触角研究对于一些粘度较大的液体在固体平面上的流动或铺展角研究对于一些粘度较大的液体在固体平面上的流动或铺展有重要意义(因粘度大,平衡时间长)。同时,对于温度变有重要意义(因粘度大,平衡时间长)。同时,对于温度变化较大的体系,由于表面张力的变化,接触角也会变化,因化较大的体系,由于表面张力的变化,接触角也会变化,因此,若一已基平达平衡的体系,接触角的变化,可能与温度此,若一已基平达平衡的体系,接触角的变化,可能与温度
13、变化有关,简单判断影响因素的方法是,平衡时间的影响一变化有关,简单判断影响因素的方法是,平衡时间的影响一般是单方向的,而温度的波动可能造成般是单方向的,而温度的波动可能造成的升高或降低。的升高或降低。影响接触角测定的因素除平衡时间和温度外,影响接触角稳定的因素还有接触角滞除平衡时间和温度外,影响接触角稳定的因素还有接触角滞后和吸附作用。后和吸附作用。(1)接触角滞后接触角滞后前进接触角和后退接触角前进接触角和后退接触角 前进接触角,以液固界面取代固气界面后形成的接触角为前前进接触角,以液固界面取代固气界面后形成的接触角为前进接触角进接触角A,如将固体板插入液体中;后退接触角则相反,如将固体板插
14、入液体中;后退接触角则相反,即以固气界面取代固液界面后形成的接触角叫后退接触角,用即以固气界面取代固液界面后形成的接触角叫后退接触角,用R表示,如水滴在斜玻璃板上,流动可形成前进接触角和后表示,如水滴在斜玻璃板上,流动可形成前进接触角和后退接触角。退接触角。接触角滞后及原因接触角滞后及原因指前进接触角与后退接触角之差称为接触角滞后(指前进接触角与后退接触角之差称为接触角滞后(A-R)影响接触角测定的因素造成接触角滞后的主要原因有:造成接触角滞后的主要原因有:a.表面不均匀表面不均匀 表面不均匀是造成接触角滞后的一个重要原因表面不均匀是造成接触角滞后的一个重要原因若固体表面由与液体亲合力不同的两
15、部分若固体表面由与液体亲合力不同的两部分a、b组组成,则液体对复合表面的接触角与对两种纯固体成,则液体对复合表面的接触角与对两种纯固体表面成分自身的接触角的关系是:表面成分自身的接触角的关系是:COS=XaCOSa+XbCOSb Xa、Xb指指a、b的的摩尔分数,摩尔分数,a、b指液体在指液体在a固体和固体和b固体上的固体上的接触角。接触角。影响接触角测定的因素实践表明,前进角一般反映与液体亲合力较弱的那实践表明,前进角一般反映与液体亲合力较弱的那部分固体表面的润湿性,因此,部分固体表面的润湿性,因此,A较大(较大(COS小),而后退角反映与液体亲合力较强的那部分固小),而后退角反映与液体亲合
16、力较强的那部分固体表面的性质,因此,体表面的性质,因此,R较小。对于一些无机固体,较小。对于一些无机固体,由于表面能较高,固而极易吸附一些低表面能的物质由于表面能较高,固而极易吸附一些低表面能的物质而形成复合表面,因此,造成液体对这种复合表面形而形成复合表面,因此,造成液体对这种复合表面形成的接触角滞后现象,可见,欲准确测定一种固体的成的接触角滞后现象,可见,欲准确测定一种固体的接触角,必须保证固体表面不受污染。接触角,必须保证固体表面不受污染。影响接触角测定的因素 b.表面不平表面不平 表面不平也是造成接触角滞后的主要因素,表面不平也是造成接触角滞后的主要因素,若将一玻璃粗化后,将一水滴滴在
17、倾斜玻璃若将一玻璃粗化后,将一水滴滴在倾斜玻璃上,则出现接触角滞后。上,则出现接触角滞后。Wenzel研究了固体表面粗度对润湿性的影响,研究了固体表面粗度对润湿性的影响,他指出,一个给定的几何面经粗化后,必然他指出,一个给定的几何面经粗化后,必然使表面积增大,若以使表面积增大,若以r表示粗化程度,则表示粗化程度,则r=A(真实)(真实)/A(表观)(表观)影响接触角测定的因素显然,显然,r越大,表面越不平,这时,应用润湿方程越大,表面越不平,这时,应用润湿方程时应加以粗化较正,时应加以粗化较正,为粗糙表为粗糙表面面 上的接上的接 触角,将上式与无粗化的润湿方程相比可得触角,将上式与无粗化的润湿
18、方程相比可得 当当90表面粗化将使表面粗化将使,当,当90,表面粗化将使表面粗化将使(接触角变大,润湿性变(接触角变大,润湿性变差)。差)。lgcos,sgslrq qc o sc o srqq3、固体的润湿性质如对可润湿的金属表面,表面经打磨粗化后,可使润湿性变如对可润湿的金属表面,表面经打磨粗化后,可使润湿性变好(如电镀时需表面充分润湿),而对于不润湿的固体表面,好(如电镀时需表面充分润湿),而对于不润湿的固体表面,表面粗化,将使表面粗化,将使变大,润湿变差(对一些变大,润湿变差(对一些 高聚物表面,可通高聚物表面,可通过粗化使其防水能力提高)。过粗化使其防水能力提高)。固体的润湿性质固体
19、的润湿性质1、低能表面与高能表面低能表面与高能表面 从润湿方程可以看出,当从润湿方程可以看出,当90,可润湿,这时,可润湿,这时 ,即要求即要求 ,可见,低表面张力的液体容易润湿高表面,可见,低表面张力的液体容易润湿高表面能能 的固体,考虑到的固体,考虑到 的数值均在的数值均在100mN/m以下,常以此为以下,常以此为界,将固体分为两类:界,将固体分为两类:sgsllgsgglgl固体的润湿性质(1)表面张力大于)表面张力大于100mN/m者称为高能固体,这些固体易者称为高能固体,这些固体易被液体所润湿,如无机固体、金属及其氧化物等。被液体所润湿,如无机固体、金属及其氧化物等。(2)表面张力低
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