表面工程学 2.ppt

2.3.1 固体对气体的吸附 Lei Xu. et al. Phys. Rev. Letter. 物理吸附与化学吸附的区别 物理吸附 化学吸附 吸附热 近于液化热 （1～10 KJ·MOL-1） 近于反应热 （ 40 KJ·MOL-1） 吸附力 范德华力?? 弱 化学键力?? 强 吸附层 单分子层或多分子层 仅单分子层 吸附选择性 无 有 吸附速率 快 慢 吸附活化能 不需 需要、且很高 吸附温度 低温 较高温度 吸附层结构 基本同吸附质分子结构 形成新的化合态 2.3.2 固体对液体的吸附与润湿 固体表面对液体分子同样有吸附作用。但这种吸附与对气体的吸附又有不同，主要表现为： 包括对电解质吸附和非电解质吸附： 电解质吸附----固体表面带电或双电层中的组分发生 变化，也可能是溶液中的某些离子被吸附到固体表面，而固体表面的离子则进入溶液之中，产生离子交换作用。 非电解质吸附--表现为单分子层吸附 ，吸附层以外就是本体相溶液。 溶液有溶质和溶剂，都可能被固体吸附，但被吸附的程度不同。 正吸附：吸附层内溶质的浓度比本体相大。 负吸附：吸附层内溶质的浓度比本体相小。 影响固体对液体吸附力的因素： 固体表面的粗糙度 固体表面的污染程度 液体表面的表面张力 2.3.2 固体对液体的吸附与润湿 2.3.2 固体对液体的吸附与润湿 洗净剂 接触角（°） 粘结强度 甲苯 59 93 庚烷 51 93 丁酮 47 94 三氯乙烯 42 100 醋酸乙烯 43 100 三氯甲烷 34 113 不同表面处理时钢和环氧树脂接触角与相对粘结强度 2.3.2 固体对液体的吸附与润湿 热力学定义：固体与液体接触后能使体系的吉布斯自由能降低，称为润湿。 机械润滑、注水采油、油漆涂布、金属焊接、搪瓷坯釉、陶瓷/金属的封接等工艺和理论都与润湿过程有关。 设定液/固，气/固，气/液的比表面吉布斯自由能分别为 、 、 ，则过程吉布斯自由能变化： 逆过程： 相当于外界所做的功W： W 称为附着功或粘附功。此值越大固液界面结合越牢，即附着润湿越强。 附着功示意图 2.3.2 固体对液体的吸附与润湿 附着润湿：液体和固体接触，变液/气和固/气为固/液界面  2.3.2 固体对液体的吸附与润湿 浸渍润湿：固体插入液体中，固/液替代固/气界面 若 ，则θ 90°，浸渍润湿过程自发进行。若 ，则θ 90°，固体浸于液体必须做功。  2.3.2 固体对液体的吸附与润湿 铺展润湿：液滴落在固体表面的过程 三种铺展润湿 忽略液体重力和粘度影响，则铺展是由固/气(SV)、固/液(SL)和液/气(LV)三个界面张力所决定 式中θ是润湿角； F 称润湿张力。θ 90°不润湿；θ 90°润湿；θ = 0° 完全润湿。 铺展是润湿的最高标准，能铺展则必能附着和浸渍。 2.3.3 固体对固体的吸附 固体和固体表面之间同样有吸附作用，但两个固体表面必须非常靠近，靠近到表面力作用的范围内（即原子间距范围内）才行。表明其粘附程度的大小用粘附功WAB来表示 固体对固体的特点： 两个不同物质间的粘附功往往超过其中较弱一物质的内聚力。 表面的污染会使粘附功大大减小，而这种污染往往是非常迅速的。 如：铁片在水银中断裂，两裂开面可以再粘结起来；而在空气中断裂，铁迅速吸附氧气，形成化学吸附层，两裂开面 就粘结不起来。 固体的吸附作用只有当固体断面很小，并且很清洁时才能表现出来. 2.3.4 莱宾杰尔效应 由于环境介质的 可逆 物理（或者物理/化学）过程致使固体表面能降低，使得材料本身力学性能显著改变的效应。 单晶锡在混脂凡士林油溶液中的拉伸图 1. 纯凡士林 4. 0.2 % 混脂酸 3. 0.5 % 混脂酸 2. 0.1 % 混脂酸 思考题 莱宾杰尔效应的本质是什么？ 当两个工件接触时，真实接触面积与几何表观面积、实际表面面积有什么关系？它主要由什么决定？ 物理吸附与化学吸附可以同时存在么？ 表面粗糙度对