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材料表面与界面-
特点 宏观物体间的Van der Waals力有加和性 Van der Waals力相互作用范围大,~5nm 相互作用力与物体形状有关 两物体通过第三种介质相互作用 3)Hamaker常数计算 A = AL + ADK n 折光指数 v 频率 ε 介电常数 相同聚合物通过空气(ε3 =1,n3=1)、水( ε3 =80,n3=1.333)相互作用的Hamaker常数 Polym ε n v/1015s-1 medium Hamaker Constant/10-20J observed calculated PS 2.55 1.557 2.3 air 6.5 6.6 PS 2.55 1.557 2.3 water 1.4 0.95 PVC 3.2 1.527 2.9 water 3.8 3.8 PTFE 2.1 1.359 2.9 water 0.29 0.33 真空中,两种物质总是吸引 介质中,相同物质总是吸引 不同物质或吸引或排斥 3.2 静电力 3.2.1 扩散双电层 + + + + + + + + 固体 溶液 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ψ0 ψi xi Grouy-Chapman模型 两相界面上电荷分离产生的电势差称为双电层电势差,ψ0 假设:1)表面是无限大平面,电荷均匀分布 2)液相中介电常数相同 3)扩散双电层中,离子是点电荷(无体积),服从Boltzmann分布 电荷分布: ni = ni0 exp(-Zieψ/κT) ni 双电层中单位体积中i离子的数目 ni0 溶液中的i离子数目ψ0=0 Zi i离子的价数 双电层内,体积电荷密度: ρ=Σ ni Zi e 电势分布: (1)平面双电层 ▽2ψ = - ρ/ε 低电势近似,即: K-1双电层厚度 x=K-1时, 双电层电势特性: 1)双电层电势与溶液中离子特性有关 2)电势以指数形式衰减 Zi 增加,K-1下降,双电层变薄,体系稳定性差 n0i增加,K-1下降,双电层变薄,体系稳定性差 ψ/ψ0 x 1:1 2:2 3:3 ψ/ψ0 x 10-3mol/L 10-2mol/L 10-1mol/L 一般情况下(非低电势)电势分布 当ψ0很小时, 当ψ0不太小时, 当ψ0很高时,r0 ≈ 1 (2)球面双电层 低电势近似 a 球半径 r 距离 比平板双电层衰减更快 3.2.2 stern双电层 + + + + + + + - - - - -+ - + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - } Stern层 表面吸附层的厚度 δ - - - - - - - - - ψ0 δ ψδ Ψδstern面上电势 电势分布 电势分布: (1)平面双电层 低电势近似,即: 一般情况下(非低电势)电势分布 (2)球面双电层 低电势近似 3.2.3 两平面界面在溶液中的相互作用 D 两平面间的静电排斥力(能) κBoltzman常数 n0 单位体积中离子个数 D 平板间距离 K-1双电层厚度 应用范围: 与K-1相比较,表面距离大,表面电势较大的情况 对于1:1电介质 电介质浓度增大,排斥力减小 总结 物质表面存在表面张力 表面张力和表面自由能概念不同,数值相同 表面张力是由于物质表面上分子与本体中分子所受的相互作用力不同,产生表面收缩所致 水表面张力 72mN Laplace方程 Kelvin公式 2.7 溶液表面 溶液表面张力取决于:1、溶液组成部分分子相互作用 2、溶液组成部分分子在表面上的分布 2.7.1 溶液表面张力 γ C 水溶液浓度 I II III I类:随C增加,溶液表面张力上升 溶质一般为盐类 II类:随C增加,溶液表面张力下降 溶质一般为有机物 1% III类:随C增加,溶液表面张力很快下降到最低点 溶质使溶剂表面张力快速下降的性质,称为表面活性 Surface activity 2.7.2 表面活性剂(surfactant) 特点:高表面活性物质 结构特点: 亲油 亲水 分类 按亲油(疏水)部分 1)C-H 3)硅氧烷 2)C-F 疏水性:2) 3) 1) 按亲水部分 1)离子型 3)混合型 2)非离子型 亲水性:1) 3) 2) 溶解性 离子型表面活性剂在温度高于一定值时,溶解度急剧增加 S T/℃ Krafft
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