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1、,材 料 表 界 面,管 涌 杨云霞,联系方法： 材料学院 实验一楼309室 电话：64253343 Email： ,主讲教师:,李书召,主讲教师:,李书召,管 涌 杨云霞,主讲教师:,李书召,主讲教师:,李书召,主讲教师:,管 涌 杨云霞,李书召,主讲教师:,考 核 方 式,平时成绩： 20 （包括考勤10和课堂练习、作业等10）期末考试： 80附加分：5%,第二章 液体表面,2.1 表面张力和表面自由能,2.1.1、表面张力产生的原因,温度升高表面张力如何变化？,表面张力与表面能,表面张力也可以理解为系统增加单位面积时所需做的可逆功，单位为J/m2，是功的单位或能的单位。所以也可以理解为表
2、面自由能，简称表面能。,表面功：温度、压力和组成恒定时，可逆使表面积增加dA所需要对体系作的功，称为表面功。用公式表示为：,表面能与表面张力在量纲上等效，不严格区分,表面张力,例：20时汞的表面张力为4.8510-1 Jm-2，求在此温度及101.335 kPa 的压力下，将半径1mm的汞滴分散成半径10-5 mm的微小汞滴，至少需要消耗多少功？,例：试求25，质量m1g的水形成一个球形水滴时的表面自由能E1。若将该水滴分散成直径2nm的微小水滴，其总表面能E2又是多少？（已知25时水的比表面自由焓Gs为7210-3 J*m-2),2.3 Laplace方程,2022/12/21,2.4液体表
3、面张力的测定,2.4.1毛细管法,2.4.3 滴重法,2022/12/21,2.5 Kelvin 公式,2022/12/21,例：25时，水的饱和蒸气压为3.168kPa，求该温度下比表面积为106 m2 *kg-1时球形水滴的蒸气压（水在25时的表面张力为71.9710-3 N*m-1).,2.5 Kelvin 公式,2022/12/21,应用Kelvin公式可以解释一些现象1、人工降雨2、过热液体3、过冷水4、过饱和液体,2.5 Kelvin 公式,2022/12/21,2.6 Gibbs吸附等温式,溶液的表面张力溶液的表面张力不仅与温度和压力有关，还与其组成有关 在水溶液中,表面张力随溶
4、液组成的变化规律一般有三种比较典型的类型。,2022/12/21,2.6.2 Gibbs吸附等温式,2022/12/21,例：294K下测定甲酚水溶液的表面张力随甲酚浓度的变化关系如下： C (mol/l) 0.2301 0.1793 0.1194 0.0816 （10-3 N/m) 40.92 42.81 47.81 52.27 C (mol/l) 0.0726 0.0475 0.0323（10-3 N/m) 53.94 57.94 61.98(1)求甲酚的表面吸附量；（2）每平方米表面的甲酚分子数以及甲酚分子的横截面积。,2022/12/21,例：19时丁酸水溶液的表面张力可表示为： =0
5、-bln(1+c/a)0为纯水表面张力，a,b为常数，各为 5.097*10-2mol/L与0.180，c为浓度。求：1）c=0.200mol/L时的12； 2）c/a1时的12值，并计算丁酸分子所占面积。,2022/12/21,解：因为=0- 0 bln(1+c/a)所以：,以a,b,c值代入,注意单位，厘米克秒制,2022/12/21,2）当c/a1时，1+c/ac/a,(a)式简化为：,第三章 固体表面,3.3.2 langmuir等温式,此式称为Langmiur吸附等温式，b称为吸附系数。,以p/Vp作图，可得一直线，从直线的斜率和截距可以求出Vm和b。,4. Langmuir吸附等温
6、式的另一种写法,例：用活性炭吸附CHCl3，符合Langmuir吸附等温式，在0 时的饱和吸附量为93.8 dm-3*kg-1。已知CHCl3的分压为13.4kPa时的平衡吸附量为82.5 dm-3*kg-1 。试计算CHCl3的分压为为6.67kPa时的平衡吸附量。,二常数吸附等温式：,（3-21）,（3-22）,例：77K时N2在硅胶上的吸附数据如下，其中吸附量已折算成S.T.P。已知硅胶的质量为0.5978g，用BET法求此硅胶的比表面积。P/po 0.07603 0.09687 0.1567 2.2213 0.2497V(cm3) 0.8984 0.9228 1.076 1.166 1
7、.58,例：77K时N2在硅胶上的吸附数据如下，其中吸附量已折算成S.T.P。已知硅胶的质量为0.5978g，用BET法求此硅胶的比表面积。,问题：为什么选择77K？,氮气的沸点为零下196度（77K），其饱和蒸气压即为一个大气压；易于控温。,第四章 固-液界面,本节内容,Young方程接触角测试方法前进角、后退角三种润湿方式,2. Young方程力学方法推导,4.2 粘附功和内聚能,粘附功,内聚功或内聚能,4.3 Young-Dupre 公式,4.4 接触角的测定方法,4.4.1 停滴法,4.4.2 吊片法,4.4.3 电子天平法,用纤维束测接触角示意图,4.5 接触角的滞后现象,前进角后退
8、角,4.6 润湿过程的三种类型,粘附润湿浸湿铺展润湿,4.6.4 润湿过程的比较,以上三种润湿发生的条件可归纳如下：粘附润湿：浸湿：铺展润湿是：,借助Young方程，将SG=SL+LGcos,代入（5-34）中，可得：,第5章 表面活性剂,5.1.2 表面活性剂分子的结构特点,表面活性剂分子有两种不同性质的基团所组成，一种是非极性的亲油基团，另一种是极性的亲水基团。,（2）按亲水基类型分：表面活性剂溶于水能电离生成离子的叫做离子型表面活性剂（阴离子、阳离子和两性表面活性剂)。不能电离的叫非离子型表面活性剂。,（3）按分子量分：低分子量表面活性剂：2001000中高分子量表面活性剂：1000以上
9、,聚乙二醇的醚键为何具有亲水性？,5.1.3.5 其它表面活性剂,相转移催化,水相,界面,有机相,阳离子冠醚的金属络合物Q+X-的负电荷部分X-，在水溶液中和其他阴离子Y-交换后，溶于含有反应试剂的RX有机相中，与RX反应生成RY，本身复原为Q+X-，同时再进入水相。反复循环，起到催化作用。,5.2 表面活性剂的表面物理化学性能,5.2.1.1 亲疏平衡值亲水-疏水平衡值HLB（Hydrophile-Lipophile Balance )的概念。,5.2.1.2 HLB 值的确定,（1）非离子型HLB值的计算对聚乙二醇和多元醇非离子型表面活性剂:,例1：求 的HLB值解：亲水基分子量：（CH2
10、CH2O)9=396,表面活性剂分子量=616HLB=396/616*100/5=12.86,对多元醇型脂肪酸酯非离子型表面活性剂: HLB=20(1-S/A)S为酯的皂化值, A为脂肪酸的酸值.,（2）其他类型表面活性剂HLB值得计算,例：求甘油硬硬脂酸单酯的HLB值，已知其皂化值S161，酸值A198,解： HLB20（1161/198）3.8解2： 20 C： 0.475209.5 2-OH 1.923.8 1个-COO- 2.4HLB=3.8+2.4+7-9.5=3.7,例1：求太古油的HLB值解：疏水基含17个碳，L=17*0.475亲水基：-COOH + -OSO3Na,H=2.1
11、 + 38.7HLB=7+(38.7+2.1)-(17*0.475)=39.7,HLB值的实验测定方法,（1）分配系数法：将水和油（通常用辛烷）放在一起，再加入表面活性剂，当其在油水两相中达到溶解平衡时，分别测定它在两相中的浓度：水相中Cw，油相中Co，然后计算HLB值。,（3）混合表面活性剂HLB值的计算mA 、mB为混合表面活性剂种A,B组分的质量，HLBA,HLBB为A,B组分各自的HLB值。,第5章 表面活性剂-2,相转型温度(Phase Inversion Temperature),非离子型表面活性剂乳状液随着温度升高,从原来O/W型转变为W/O型的温度,称为相转型温度(PIT),
12、也叫做亲水-亲油平衡温度(HLB温度).PIT 不仅可以反映亲水亲油性，还可反映油的种类、温度、浓度、相体积的影响。,PIT与HLB的关系近乎直线，可解释HLB值大，其亲水性强, 其PIT越高.PIT随油相性质而改变，越容易溶解非离子表面活性剂的油，其PIT值越低;油相极性越小，PIT越高.固定表面活性剂浓度,增大油/水比例, PIT增大.固定表面活性剂与油相比例,即使增大油/水比,PIT不再变化.,4.2.3 临界胶束浓度,少量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称为临界胶束浓度（CMC)。影响CMC的因素,4.2.4 表面
13、活性剂的溶解度,2.2.4.1 Krafft温度,离子型表面活性剂的溶解度曲线及K.P点,K.P点实际上是分子溶解和胶束溶解的分界点，溶解度之所以急剧增加是由于表面活性剂以胶束形式溶解。温度低于K.P点不形成胶束，只有温度高于K.P点才形成胶束。因此，K.P点相应溶液的浓度即为CMC值，K.P点也可认为是表面活性剂在溶液中的溶解度等于它的CMC值时的温度。,K.P 点之下无CMC,5.2.4.2 浊 点,聚氧乙烯链中氧与水分子形成的氢键,当温度上升时，氢键被削弱，升到一定温度，氢键断裂，表面活性剂从溶液中析出，使溶液突然变浊。具有相同极性剂的同系物，烃链较短者具有较高的浊点；如果烃链长度相同，
14、则浊点随氧乙烯基团数n的增高而升高,如下图所示。,5.2.6 胶束的结构、形状和大小,5.2.6.1 胶束的结构,离子型表面活性剂胶束呈球形，内核为近于液态的碳氢链，内核外部为与极性基团相连或相邻的CH2，周围有渗入的水分子（已成为胶束的一部分），故与内核的CH2不同；再外层由极性基团组成，最外层是与极性基团结合的反离子和结合水。在表面之外，还有由反离子组成的扩散层。双电层的存在，保证了胶束的稳定型。,水溶液中聚氧乙烯非离子型胶束结构示意图,其内核与离子型表面活性剂一样，具有与液烃相似的性质，其表面由聚氧乙烯和醚键氧原子相结合的水构成，没有双电层结构，其表面厚度往往超过内核尺寸,第6章 高分子
15、材料的表界面,本节课内容,6.1 表面张力与温度的关系6.2 表面张力与分子量的关系6.3 表面张力与表面形态的关系6.4 表面张力与分子结构的关系6.5 表面张力与内聚能密度6.6 共聚、共混和添加剂对表面张力的影响6.7 界面张力 6.7.1 Antoff 规则 6.7.2 Good-Girifalco理论 6.7.3 几何平均法 6.7.4 调和平均法6.8 临界表面张力6.9 状态方程,6.10 固体聚合物表面张力的测试方法, （1）由熔融聚合物的表面张力-温度关系外推； （2）由表面张力与分子量关系，以-M-2/3或1/4对Mn-1作图外推； （3）由等张比容法估算 （4）由表面张力
16、与内聚能关系估算 （5）测定液体对聚合物的接触角由方程式（6-40）求取SL；, （6）用两种已知d和p的液体测定其对高聚物的接触角,由几何平均法或调和平均法，按式（6-47）或（6-51）求出高聚物的表面张力及其分量, （7）用同系列液体测出其对高聚物的接触角，以cos- LV作图，求临界表面张力C。 （8）用一系列测试液体测定其对高聚物的接触角，由式（6-58）求出C, ，以C,对LV作图，求S的状态方程法.,第7章 聚合物的表面改性,表面改性的方法, 电晕放电处理: 氧化 火焰处理: 氧化 化学改性: 氧化, 粗糙化表面 等离子体改性: 交联,引入官能团等 辐照改性: 引入不同的聚合物链 光化学改性: 引入不同的聚合物链 力化学改性: 引入不同基团或聚合物链 偶联剂改性: 引入不同基团,
