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1、1,授课人：李立华材料科学与工程系,第3章 固-液界面,2,复习,Laplace方程Kelvin公式Gibbs吸附等温式,3,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，以表示。,（1）=0，完全润湿，液体在固 体表面铺展。,（2）090，液体可润湿固体，且越小，润湿越好。,（3）90180,液体不润湿固体。,（4）=180，完全不润湿，液体在固体表面凝成小球。,3.1 Young方程和接触角,4,Young方程力学方法推导,注：推导中，忽略了重力的影响，也未考虑LG的垂直分力,5,从能量观点推导Young方程,系统自由焓的变化当液体滑动时，应有：代入得：平衡时，d
2、G=0,故,6,在这一过程中，外界所做的功 Wa为: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。,3.2 粘附功和内聚能,7,均相物质的分离,若将均相物质分离成两部分，产生两个新界面，则前式中，=，=0。则：,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。,8,对固液界面，粘附功：WSL=S+L-SL考虑到与气相平衡 WSL=SG+LG-SLYoung方程：,3.3 Young-Dupre 公式,9,上式称为Young-Dupre方程，它将固-液之间的粘附功与接触角联系起来。,10,如果=0，则:,液-固分子之间没有吸引力，分开固-液界面不需
3、做功。此时固体完全不为液体润湿。,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=180，则:,Young-Dupre方程,11,3.4 接触角的测定方法,12,1.停滴法,接触角的测试方法,13,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：,接触角的测试方法,14,接触角测定仪,仪器结构主要由光源、工作台、底座、放大镜、滴液器等部分组成,接触角的测试方法,15,2.吊片法,将表面光滑、均匀的固体薄片垂直插入液体中，如果液体能够润湿此固体，则将沿薄片平面上升。升高值 h 与接触角 之间的关系为:,接触角的测试方
4、法,16,3 纤维对液体的接触角测定（电子天平法）,电子天平,17,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，则有：若纤维的半径r和液体表面张力L已知，则用电子天平法测出P后，即可求出接触角。,外力F与液膜边缘的长度成正比,18,测定两种互不相溶液体之间的界面张力和界面接触角。,图3-9 界面张力和界面接触角的测试,19,若完全浸润,若界面张力L1L2已知，液体与纤维之间存在接触角L1/L2，则：因此，测定P可求出纤维在L1/L2界面的接触角L1/L2。,20,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r20微米的纤维为例：,局限性,21,用纤维
5、束测接触角示意图,以一束纤维代替一根纤维,在塑料管中充填一束纤维，充填率=0.47-0.53。使纤维束与液面接触，因毛细现象，液体沿着纤维间空隙上升，用电子天平测出增重量m随浸润时间变化,22,浸润曲线,23,充填率=0.47-0.53,以m2-t作图，可得直线。该直线的斜率即为式中t的系数。由斜率即可求出接触角。,24,接枝改性丙纶的接触角,25,前进角和后退角前进角a最大前进角a,max后退角r最小后退角r,min,在理想光滑、组成均匀的表面上的平衡接触角就是Young氏角。许多实际表面都是粗糙的或是不均匀的，液滴可以处在稳定平衡态（即最低能量态），也可处于亚稳平衡态，即出现接触角的滞后现
6、象。,3.5 接触角的滞后现象,26,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,接触角的滞后现象,27,液体对固体的润湿或不润湿均是常见的界面现象 润湿的类型 润湿是一种流体从固体表面置换另一种流体的过程。最常见的润湿现象是一种液体从固体表面置换空气，如水在玻璃表面置换空气而展开。1930年Osterhof和Bartell把润湿现象分成粘附润湿（沾湿）、浸湿和铺展三种类型。,3.6 润湿过程的三种类型,28,1、粘附润湿（沾湿）沾湿引起体系自由能的变化为：式中，SL、SV和LV分别为单位面积固一液、固一气和液一气的界面自由能。,S,v,沾湿过程,29,沾
7、湿的实质是液体在固体表面上的粘附，沾湿的粘附功Wa为 SL越小，则Wa越大，液体越易沾湿固体。若Wa0，则（G）TP0，沾湿过程可自发进行。固一液界面张力总是小于它们各自的表面张力之和，这说明固一液接触时，其粘附功总是大于零。因此，不管对什么液体和固体沾湿过程总是可自发进行的。,30,S,V,L,浸湿过程,2、浸湿,31,浸湿过程引起的体系自由能的变化为 如果用浸润功Wi来表示，则是 是浸润功，若Wi0，则G0，过程可自发进行。浸湿过程与粘湿过程不同，不是所有液体和固体均可自发发生浸湿，而只有固体的表面自由能比固一液的界面自由能大时浸湿过程才能自发进行。,32,3、铺展 置一液滴于一固体表面。
8、恒温恒压下，若此液滴在固体表面上自动展开形成液膜，则称此过程为铺展润湿。体系自由能的变化为,S,V,液体在固体表面的铺展,33,对于铺展润湿，常用铺展系数SL/S来表示体系自由能的变化，如 若S0，则G0，液体可在固体表面自动展开。铺展系数也可用下式表示 Wc是液体的内聚功。从上式可以看出，只要液体对固体的粘附功大于液体的内聚功，液体即可在固体表面自发展开。,34,注意:上述条件均是指在无外力作用下液体自动润湿固体表面的条件。有了这些热力学条件，即可从理论上判断一个润湿过程是否能够自发进行。但实际上却远非那么容易，上面所讨论的判断条件，均需固体的表面自由能和固一液界面自由能，而这些参数目前尚无
9、合适的测定方法，因而定量地运用上面的判断条件是有困难的。尽管如此，这些判断条件仍为我们解决润湿问题提供了正确的思路。,35,4 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：,36,三种润湿依次表示为：WaASL/S。换言之若SL/S0，必有WaA0,即凡能铺展的必定能粘附润湿与浸湿，铺展湿润是程度最高的一种润湿。,37,三种润湿发生的条件：粘附润湿：浸湿：铺展润湿是：,38,上式中都涉及粘附张力 A=SG-SL.。显然，SG越大，SL越小，（SG-SL）差值就越大，越有利于润湿。对粘附润湿，增大LG有利，对于浸湿，LG的大小不起作用。对铺展润湿来说，减少LG是
10、有利的。,39,借助Young方程，将SG=SL+LGcos,代入中：,40,类 型 能量判据式 接触角判据 粘附润湿 Wa=LG（cos+1）0 180浸 湿 A=LGcos0 90 铺展润湿 SL/S=LG（cos-1）0=0或不存在,习惯上规定=90为润湿与否的标准，即90为不润湿，90为润湿，越小润湿越好。当平衡接触角=0或不存在时为铺展。,对三类润湿，降低SG，增加SL，均对润湿不利，反之则有利。,41,2.20时水的表面张力为72.8mN/m，汞的表面张力为484mN/m，而汞水的界面张力为375mN/m，请判断：（1）水能否在汞的表面上铺展开？（2）汞能否在水的表面上铺展开？,解：（1）SLS=SG-SL-LG=484-375-72.8=36.20 水能在汞的表面上铺展。（2）SLS=SG-SL-LG=72.8-375-484=-786.20 汞不能在水的表面上铺展。,练习：,
