材料表界面第四章固液界面.pptVIP

第五章 固-液界面 5.1 Young 方程和接触角 1. 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。 2. Young方程 从能量观点推导Young方程（如图5-2） 系统自由焓的变化 当液体滑动时，应有： 代入得： 平衡时，dG=0,故 5.2 粘附功和内聚能  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，则式（5-5）中，σα=σβ，σαβ=0。则： 这里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。 5.3Young-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-σSL Young方程： 上式如果θ=0°，则: 也即粘附功等于液体的内聚功，固-液分子间的吸引力等于液体分子与液体分子的吸引力，因此固体被液体完全润湿。 如果θ=180° 液-固分子之间没有吸引力，分开固-液界面不需做功。此时固体完全不为液体润湿 5.4 接触角的测定方法 5.4.1 停滴法（图5-5） 将液滴视作球形的一部分，测出液滴高度h和2r，由简单几何分析求出θ： 接触角测定仪 5.4.3 电子天平法 如果液体完全润湿纤维，则： 如果液体与纤维之间的接触角为θ，则有： 若纤维的半径r和液体表面张力σL已知，则用电子天平法测出?P后，由式（5-17）可求出接触角θ。 测定两种互不相溶液体之间的界面张力和界面接触角 图5-9 界面张力和界面接触角的测试? 若完全浸润 若界面张力σL1L2已知，液体与纤维之间存在接触角θL1/L2，则： ? 因此，测定ΔP可求出纤维在L1/L2界面的接触角θL1/L2。 局限性 对仪器精密度要求高，操作难度大； 测试的是单根纤维，误差大。 以对水完全润湿的r＝20微米的纤维为例： 图5-10 用纤维束测接触角示意图 图5-11 浸润曲线 充填率ξ=0.47~0.53 以m2~t作图，可得直线。该直线的斜率即为（5-20）式中t的系数。由斜率即可求出接触角θ。 5.5 接触角的滞后现象 5.5.1 前进角和后退角 前进角θa 最大前进角θa,max 后退角θr 最小后退角θr,min 引起接触角滞后的原因 固体表面的粗糙度 固体表面的不均匀性和多相性 固体表面的污染 图5-13 表面粗糙度对接触角的影响 （1）当θy90°时，表面粗糙化将使接触角更小。润湿性更好。 （2）当θy90°时，表面粗糙化将使接触角变大。润湿性更差。 （3）由式5-22可以估算实验的误差，例如： 当θ=10o时，若r=1.02，则θy-θw=5o； 当θ=45o时，若r=1.1，才使θy-θw=5o； 当θ=80o时，若r=2，才使θy-θw=5o； 可见，接触角越小，表面粗糙度的影响越大，要得到准确的接触角，特别注意表面要光滑。 5.5.3由于表面不均匀性和多相性的滞后 前进角往往反映表面能较低的区域，或反映与液体亲和力弱的那部分固体表面的性质，而后退角往往反映表面能较高的区域，或反映与液体亲和力强的那部分固体表面的性质。 图5-14 水在TiO2与C18H37N+（CH3）3Cl单分子膜复合表面上的接触角 5.6 润湿过程的三种类型 粘附润湿， 浸湿， 铺展润湿。 5.6.1 粘附润湿过程 这是液体直接接触固体，变气-液表面和气-固表面为液-固界面的过程。 上式表明，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，此值又称粘附功Wa即： 粘附功可理解为将单位液-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。 5.6.2 浸湿过程 浸湿过程中系统自由焓降低为： 令A＝－Wi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。 5.6.3 铺展润湿过程 液体从C自发铺展至B，覆盖面积为a，则相应的自由焓下降为： -ΔGS =a[σSG -(σSL +σLG)] （5-30） 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σSG -σSL -σLG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。 式（5-31）改写为： 式中Wc=2σLG为液体的内聚功