您好,欢迎访问三七文档
第四章固-液界面4.1Young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。(1)θ=0,完全润湿,液体在固体表面铺展。(2)0θ90°,液体可润湿固体,且θ越小,润湿越好。(3)90°θ180°液体不润湿固体。(4)θ=180°,完全不润湿,液体在固体表面凝成小球。2.Young方程cos(5-1)SGSLLG4-1图4-2Young方程的推导cosSLSGLGSLdAdAdAdA从能量观点推导Young方程(如图4-2)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SGcos(5-4)SLLGcos(5-3)LGSGSLSLdGdAcosSLSGLGSLdAdAdAdA(5-2)LGLGSGSGSLSLdGdAdAdA4-24-34-44.2粘附功和内聚能图4-3α、β相的分离设有单位面积的α-β两相,其相界面表面张力为σαβ,在外力作用下分离独立的α和β相,表面张力分别为σα和σβWa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。Wa(5-5)在这一过程中,外界所做的功Wa为:4-5图5-4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,则式(4-5)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。Wc=2(5-6)4-64.3Young-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-σSLYoung方程:SGcos(5-4)SLLG4-4SLW(1+cos)(5-10)LG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。4-10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SLW2(5-11)LGSLW0(5-12)4-114-12SLW(1+cos)(5-10)LG4-104.4接触角的测定方法4.4.1停滴法(图4-5)图4-5停滴法测接触角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:22222hrsin=h2hrtan=rrh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(4-17)可求出接触角θ。2(5-16)LPr2cos(5-17)LPr4-164-17测定两种互不相溶液体之间的界面张力和界面接触角图4-9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。2/12LLrP(4-18)2/12/1cos2LLLLrP(4-19)图4-10用纤维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ξ=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(4-20)式中t的系数。由斜率即可求出接触角θ。322cosllfplWmtHWA(4-20)接枝改性丙纶的接触角4.5接触角的滞后现象4.5.1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象。4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'/AArSLcos0LGWSGrdSdSrdS+4.5.2由于表面粗糙引起的滞后A:真正表面积;A’:表观表面积固液界面的真正面积增加rdS,固气界面的真正面积相应减少rdS,液气界面的真正面积增加dScosθw。W()coscos(5-22)SGSLyLGrr式中θy为Young接触角,上式叫做Wentzel方程。它表明粗糙表面的cosθw的绝对值总比平滑表面的cosθy大。如图所示,在平衡状态下有(4-22)(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4-22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。4.5.3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。对于由物质A和物质B组成的复合表面,若两者各占分数为xA和xB,则复合表面的接触角可表示为:BBAAxxcoscoscos所以,表面不均匀性和表面污染是造成接触角滞后的重要原因4.5.4表面污染无论是液体或是固体的表面,在污染后都会引起滞后现象。表面污染往往来自液体和固体表面的吸附作用,从而使接触角发生显著变化。影响接触角的因素十分复杂,所以在测定时,要尽可能控制测定环境的温度、湿度、液体的蒸气压、固体表面的清洁度和粗糙度等因素。4.6润湿过程的三种类型粘附润湿,浸湿,铺展润湿。4.6.1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。图4-15粘附润湿上式表明,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。a-G()(5-25)SGSLLGaaW(5-27)SGSLLG设液体粘附在固体上的面积为a,在等温等压条件下,由热力学可得在该过程中的表面自由焓降低为:任何使σSL减小的作用都可增大发生粘附的倾向与增加粘附的牢度。但任何使σSG或σLG减小的因素都产生减弱粘附倾向并降低其牢度。4-254-274.6.2浸湿过程图4-16浸湿过程浸湿过程是原来的气-固表面为液-固界面所代替。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。ii-G()(5-28)-G/SGSLSGSLiaaW4-284.6.3铺展润湿过程图4-17铺展润湿过程铺展润湿是液体与固体表面接触后,在固体表面上排除空气而自行铺展的过程,亦即一个以液/固界面取代气/固界面同时液体表面也随之扩展的过程。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)](4-30)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。-Gs/(5-31)SGSLLGa-4-31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。若SL/S≥0,则Wa≥Wc。当固/液的粘附功大于液体的内聚功时,液体可以自行铺展在固体表面上。L/SS()2(5-32)SGSLLGLGacWW4-32应用粘附张力A=σSG-σSL的概念,则铺展系数SL/S可表示为当粘附张力大于液体表面张力时,可以发生铺展L/SS(5-33)LGA4-334.6.4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:aW0SGSLLG0(5-34)iSGSLAWL/SS0SGSLLG4-34三种润湿依次表示为:WaASL/S。换言之若SL/S≥0,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。上式中都涉及粘附张力A=σSG-σSL.。显然,σSG越大,σSL越小,(σSG-σSL)差值就越大,越有利于润湿。对粘附润湿,增大σLG有利,对于浸湿,σLG的大小不起作用。对铺展润湿来说,减少σLG是有利的。借助Young方程,将σSG=σSL+σLGcosθ,代入(4-34)中,可得:L/S(1cos)cosS(cos1)aLGLGLGWA类型能量判据式接触角判据粘附润湿Wa=σLG(cosθ+1)≥0θ≤180°浸湿A=σLGcosθ≥0θ≤90°铺展润湿SL/S=σLG(cosθ-1)≥0θ=0°或不存在习惯上规定θ=90°为润湿与否的标准,即θ90°为不润湿,θ90°为润湿,θ越小润湿越好。当平衡接触角θ=0°或不存在时为铺展。对三类润湿,降低σSG,增加σSL,均对润湿不利,反之则有利。4.7固体表面的润湿性质4.7.1低能表面的润湿性质Zisman发现对于同系液体,cosθ通常是σLG的单调函数:以cosθ对σLG作图可得一直线,将直线延长至COSθ=1处,可得一个σLG值,这个值称为临界表面张力σC。cos=a-b(5-39)LG4-39图4-18临界表面张力4.7.2高能表面的润湿现象高能表面原则上能被一般液体润湿或铺展。固体表面形成了液体的吸附膜时,其表面自由焓σSG与固体在真空中的表面自有焓不同相差一个表面压π:代入Young方程可得由式可见,固体表面的吸附膜产生的表面压使接触角变大,润湿性变差。S=(5-40)SG()cos=(5-41)SSLLG4-404-414.8动润湿与动接触角动润湿过程大致分为两类:一类是在无外力作用下(重力除外)液体在固体表面上自行铺展时接触角的变化,这类过程称为自铺展。另一类是利用外力是液体在固体表面上以一定速度移动而铺展,这类过程称为强制铺展。图4-19静、动接触角示意图液固两项相对运动速度为零时的接触角为静接触角,以θs表示,速度不为零的接触角为动接触角,以θd表示动润湿过程的主要特定是三相界面线(即润湿线)是移动的,在三相线移动过程中的接触角称为动接触角。如图4-19所示,动接触角的大小通常取决于三相线位移的速率和方向,即与速度有关。实验表明,随着三相线位移速度的增加,前进角增大,后退角变小。图5-20接触角与速度的关系作业P611,5
本文标题:材料表界面-4
链接地址:https://www.777doc.com/doc-2285726 .html