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1、第一节概述,定义,(溶液)=f(溶剂、溶质性质、T、c),表面活性剂(surfactant)是指那些具有很强表面活性、能使液体的表面张力显著下降的物质。,第一节概述,表面活性剂的特征：,其都比水小很多，溶于水后能使水的大大降低；,具有不对称结构-均为两极分子RX：由疏水（憎水或亲油、亲气）的非极性基R和亲水的极性基X所组成；,第一节概述,表面活性剂分子要在水气或水油（不溶于水的液体）界面上形成“定向排列”；,存在临界胶束浓度CMC(critical micelle concentration )；表面活性剂达到形成单分子膜的最低浓度叫做临界胶束浓度。当其浓度大于CMC时，能在水中形成很大的缔合
2、体-胶束。,第二节表面活性剂的分类,第二节表面活性剂的分类,阴离子表面活性剂：,在水中离解后，起活性作用的部分是阴离子基团。,第二节表面活性剂的分类,阳离子表面活性剂：,在水中离解后，起活性作用的部分是阳离子。,第二节表面活性剂的分类,两性表面活性剂：分子中同时具有可电离的阳离子和阴离子。通常阳离子部分是由胺盐或季胺盐作亲水基，而阴离子部分可以是羧酸盐、硫酸酯盐、磺酸盐等。,1、亲疏平衡值(HLB),第三节 表面活性剂的物理、化学性能,4、表面活性剂的溶解度,2、相转型温度(PIT),3、临界胶束浓度（CMC）,1、亲疏平衡值(HLB),表面活性剂的亲水、疏水性强弱对表面活性有很大的影响。若分
3、子的亲水性太强，将完全进入水相；疏水性太强又完全进入油相。亲水基团和疏水基团强弱必须有适当平衡，才能使表面活性剂发挥最佳的表面活性。,第三节 表面活性剂的物理、化学性能,以石蜡的HLB=0，油酸的HLB=1，油酸钾的HLB=20，十二烷基硫酸酯钠的HLB=40为标准。,HLB越大，表示该表面活性剂的亲水性,越强。,1949年，美国科学家Griffin首先提出了亲水疏水平衡值HLB（hydrophile and lipophile balance values）的概念。,第三节 表面活性剂的物理、化学性能,第三节 表面活性剂的物理、化学性能,(1)没有考虑油相和水相本身的性能,(2)没有考虑表面
4、活性剂浓度的影响,(3)没有考虑温度及各相体积的影响,HLB存在的缺点：,1、亲疏平衡值(HLB),第三节 表面活性剂的物理、化学性能,2、相转型温度(PIT),第三节 表面活性剂的物理、化学性能,非离子型表面活性剂在低温下可形成水包油(O/W)型乳化液。随着温度升高，溶解度减小，HLB值下降，最后达到某一温度，使得乳状液从原来的O/W型转变为油包水型(W/O)。这一温度称为相转型温度PIT，又称为亲水亲油平衡温度。,日本学者提出了相转型温度(phase inversion temperature, PIT)的概念，用来衡量表面活性剂的亲水、亲油情况。,2、相转型温度(PIT),1、亲疏平衡值
5、(HLB),第三节 表面活性剂的物理、化学性能,2、相转型温度(PIT),3、临界胶束浓度(CMC),临界胶束浓度(critical micelle concentration, CMC),第三节 表面活性剂的物理、化学性能,少量表面活性剂的加入可使水的表面张力迅速下降，但到某一浓度后，水溶液的表面张力几乎不变。这个表面张力转折点的浓度即为临界胶束浓度(CMC)。在临界胶束浓度下，表面活性剂在水的表面形成了单分子膜。继续增加浓度，表面活性剂分子在水中形成的胶束增多，表面性能并不改变。,3、临界胶束浓度(CMC),十二烷基硫酸钠水溶液电导率与浓度的关系,临界胶束浓度的测定,利用电导率仪测定不同浓
6、度的十二烷基硫酸钠水溶液的电导率(也可换算成摩尔电导率),并作电导率(或摩尔电导率)与浓度的关系图,从图中的转折点即可求得临界胶束浓度。,1、亲疏平衡值(HLB),第三节 表面活性剂的物理、化学性能,4、表面活性剂的溶解度,2、相转型温度(PIT),3、临界胶束浓度(CMC),第三节 表面活性剂的物理、化学性能,离子型表面活性剂的溶解度随温度的升高而慢慢增大，当温度达到某一定值后，溶解度会突然增大。这种现象称为Krafft现象，此时的温度称为Krafft温度或K.P点。,三相点（Krafft点，或K.P点）,第三节表面活性剂的物理、化学性能,Krafft点也是表面活性剂应用温度的 如十二烷基硫
7、酸钠的Krafft点为 而十二烷基磺酸钠的Krafft点为,70。,9，,下限。,三相点（Krafft点，或K.P点）,高分子材料的表界面特性具有重要意义,纤维的染色、塑料的喷金、涂料对金属或木材表面的涂覆、高聚物对其他材料的粘结、橡胶轮胎与其他材料接触时的摩擦和磨损、医用高分子材料与生物体的相容性等。,表面张力的本质是分子间的相互作用。因为分子间的相互作用力因温度的上升而变弱，所以表面张力一般随温度的升高而,第一节 表面张力与温度的关系,降低。,有人提出表面张力与温度的关系的经验式：,式中，0为T=0K时的表面张力；TC为临界温度。,第二节 表面形态对表面张力的影响,高分子聚合物往往是晶态与
8、非晶态共存的。,高聚物熔体冷却固化时，通常表面生成非晶态高聚物，本体则富集晶态高聚物，以降低体系的能量。,由于晶态的密度高于非晶态，因此晶态的表面张力高于非晶态。,如果使高聚物熔体在具有不同成核活性（或不同表面能）的表面上冷却，可得到结晶度不同的表面，这类表面具有不同的表面张力。,等张比容具有严格的加和性，即物体的等张比容等于组成该物质分子的原子或原子团和结构因素的等张比容（Pi)之和，它的数值几乎不受温度的影响：,由此可通过测定化合物的表面张力、密度、分子量来计算等张比容值而推测其分子结构。这在历史上曾起过一定作用，但在各种光谱、能谱技术高度发展的今天，已没有多大实用意义了。,第一节概述,清
9、洁表面,真实表面,金属表面的类型,第一节概述,实际的金属表面包括三个薄层：,真实表面,加工应变层、,氧化层,和吸附层。,第四节金属材料的腐蚀,金属腐蚀的定义：金属在环境中，由于在金属表面或界面上进行的 多相反应，或者由于而造成的材料氧化、损坏或变质。,化学、,电化学,物理溶解作用,1.按化学反应分类：2.按腐蚀形态分类：,第四节金属材料的腐蚀,金属腐蚀的分类：,化学腐蚀和电化学腐蚀；,全面腐蚀（或均匀腐蚀）和局部腐蚀。,电化学腐蚀：金属表面与离子导电的介质因发生电化学作用而产生的破坏。,第四节金属材料的腐蚀,原电池：借助于氧化还原反应把化学能直接转变为电能的装置。,原理：,本质：,腐蚀原电池反
10、应。,氧化还原反应。,阴极：,阳极：,电池反应： Fe + 2H+ =Fe2+ + H2 ,当钢铁处于酸性气氛中时，易发生析氢腐蚀；,第四节金属材料的腐蚀,Fe - 2e- = Fe2+,2H+ 2e- =H2 ,阳极： Fe - 2e- = Fe2+,阴极：,电池反应： 2Fe+ O2+2H2O =2Fe(OH)2,当钢铁处于中性或酸性很弱或碱性条件下，易发生吸氧腐蚀。,第四节金属材料的腐蚀,O2 + 2H2O + 4e-= 4OH-,第五节金属的表面改性,第五节金属的表面改性,阳极氧化/微弧氧化,化学转化膜,化学镀,第一节陶瓷的表界面,陶瓷表界面结构,弛豫：,指表面区原子或离子间的距离偏离
11、体内的晶格常数，但晶胞结构基本不变。,第一节陶瓷的表界面,重构：,重构指在平行衬底的表面上，原子平移的对称性与体内显著不同，原子作了较大幅度调整。,第一节陶瓷的表界面,偏析：,第一节陶瓷的表界面,偏析,表面或界面附近薄层内化学组成偏离晶体内部的平均组成，某种原子、离子或化合物浓度明显高于内部。,表面吸附：,第一节陶瓷的表界面,吸附现象,固体表面存在大量的具有不饱和键的原子或离子，能吸引外来的原子、离子和分子，产生吸附。,表面化合物：,第一节陶瓷的表界面,化合物,碳化物陶瓷，如碳化硅在空气中易氧化，表面形成二氧化硅膜，阻止了内部碳化硅进一步氧化。,一、热敏电阻陶瓷,第一节陶瓷的表界面,功能陶瓷,
12、热敏陶瓷是一类电阻率随温度发生明显变化的材料。在温度改变的时候，它们的电阻率就改变。把测温度变成测电阻率。,应用：,应用于温度控制与温度传感器中，如空调、锅炉、热水器等设备中作温度控制检测。,二、气敏陶瓷,第一节陶瓷的表界面,功能陶瓷,原理：元件表面的气体吸附和随之发生的元件电导率变化。,能对气体成分进行分析、检测及报警的陶瓷。,第一节陶瓷的表界面,功能陶瓷,三、压敏陶瓷,压敏陶瓷是对电压变化敏感的非线性电阻，在某一临界电压下电阻值非常高，几乎没有电流通过；但当超过这一临界电压（压敏电压）时，电阻将急剧变小并有电流通过。压敏陶瓷电阻的应用非常广泛，主要在电力系统、电子线路和一般家用电器设备中过
13、压保护、高压稳压等的关键元件。,一、复合材料的定义和特点,ISO定义为：两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。,1、复合材料,第一节复合材料概述,(Composition Materials, Composite),2、复合材料的特点：,(3)复合材料具有可设计性。,(2)具有单一材料所不具备的优良特殊性能。,(1)由两种或多种不同性能的组分通过宏观或微观复合在一起的新型材料，组分之间存在着明显的界面。,2、复合材料的特点：,复合材料的结构通常是一个相为连续相，称为 ；而另一相是以独立的形态分布在整个连续相中的分散相。与连续相相比，这种分散相的性能优越，会使材料的性
14、能显著增强，常称为,在大多数情况下，分散相较基体硬，强度和刚度较基体大。分散相可以是纤维及其编织物，也可以是颗粒状或弥散的填料。,基体,增强剂。,3、复合材料的基本结构模式,(1)密度小、强度高,热固性复合材料 1.72.0 g/cm3热塑性复合材料1.11.6 g/cm3,五、聚合物基复合材料的特性,(2)电性能好,聚合物基复合材料的电绝缘性、高频介电性能，微波透光性好，适宜用作电机仪表零件、雷达罩等。,钢7.8 g/cm3,(4)热性能好,(3)耐腐蚀性能好,聚合物基复合材料的导热系数低，是优良的绝热材料，能保护飞行器重返大气层免受2000以上的高温、高速气流损害。,聚合物基复合材料耐海水
15、、酸、碱、盐和有机溶剂，适宜用作化工机械零部件、管道、贮槽、渔船等。,复合材料的界面：指基体与增强相之间化学成分有显著变化的、构成彼此结合的、能起载荷传递作用的微小区域。,第二节复合材料的界面,复合材料的界面是一个多层结构的过渡区域，约几个纳米到几个微米。,1、浸润性理论 ,第三节复合材料的界面理论,2、化学键理论 ,3、过渡层理论,1、浸润性理论,第三节复合材料的界面理论,空隙,(a) 不浸润,(b) 浸润,浸润性理论是1963年由Zisman提出的该理论认为，浸润是形成界面的基本条件之一，两组分如能实现完全浸润，则树脂在高能表面的物理吸附所提供的黏结强度可超过基体的内聚能。,浸湿是组分良好
16、粘结的必要条件，并非充分条件。,第三节复合材料的界面理论,如环氧树脂对新鲜的E玻璃纤维表面浸湿性好，但黏结性却不好，界面耐水老化性也差。,2、化学键理论化学键理论认为要使两相之间实现有效的黏结，两相的表面应含有能相互发生化学反应的活性基团，通过官能团的反应以化学键结合形成界面。,两相界面发生化学反应,化学键理论是应用最广、也是最应用最成功的理论。,化学键理论的应用：,碳纤维、有机纤维的表面处理是化学键理论的应用实例。在表面氧化或等离子、辐射等处理过程中，纤维的表面产生了-COOH、-OH等含氧活性基团，提高了与环氧等基体树脂的反应能力，使界面形成化学键，大大提高了粘结强度。,硅烷偶连剂就是在化学键理论基础上发展起来的用来提高基体与玻璃纤维间界面结合的有效试剂。,化学键理论的局限性：,有些现象难以用化学键理论作出令人满意的解释，如有些偶连剂不含有与基体树脂起反应的活性基团，却有较好的处理效果。按化学键理论，基体与增强剂之间的偶连剂只要单分子层就行，但实际上偶连剂在增强纤维表面不是单分子层结构，而有多层结构。,
