材料表界面期末复习

一、绪论二、1、表界面的定义及其种类。定义；表界面是由一个相过渡到另一个相的过渡区域。若其中一相为气体，这种界面通常称为表面。种类:表界面通常有五类：气-液界面（表面），气-固界面（表面），液-液界面，液-固界面，固-固界面。二、液体表面1、表面张力定义及表面自由能定义答：表面张力是单位长度上的作用力，单位是N/m。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σ也可以理解为表面自由能，简称表面能。表界面张力的热力学定义为：由于经常在恒温、恒压下研究表面性能，故常用下式表示：由能量守恒定律，外界所消耗的功存储于表面，成为表面分子所具有的一种额外的势能，也称为表面能。广义表面自由能的定义：保持相应的特征变量不变，每增加单位表面积时，相应热力学函数的增值。狭义的表面自由能定义：保持温度、压力和组成不变，每增加单位表面积时，Gibbs自由能的增加值称为表面Gibbs自由能，或简称表面自由能或表面能，用符号σ表示，单位为J·m-2。（1J·m-2=1N·m·m-2=1N·m-1）BnTpAG,,)/(σ的物理意义——（1）表面自由能（2）表面张力由于分子在体相内部与界面上所处的环境是不同的，产生了净吸力。而净吸力会在界面.2、计算：A、例：20℃时汞的表面张力为4.85×10-1Jm-2，求在此温度及101.325kPa的压力下，将半径1mm的汞滴分散成半径10-5mm的微小汞滴，至少需要消耗多少功？解：σ＝4.85×10-1Jm-2r1=1mm,r2=10－5mm21212112223312W=()4;44433AAdAAAArANrrrN31223211221222112123251()4()4()4(1)4.851043.1416(10)(101)6.0910rNrrrArrrrrWrrJmmJ,,,,σ=(210)SVSPVTPTUHFGAAAA,σ=(211)PTGAσ(21)2FLB、试求25℃，质量m＝1g的水形成一个球形水滴时的表面能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72×10-3J*m-2)解：设1g水滴的体积为V，半径为r1，表面积为A1，密度为ρ,则：（2）若分散成r2＝1nm的水滴N个3、Laplace方程表达式就是Laplace方程，是表面化学的基本定律之一。注释：（1）若：r1＝r2＝r，则曲面为球面，回到（2－15）式；（2）若：r1＝r2＝无穷大，则液面为平面，压差为0。4、表面张力的几种测定方法。（1）毛细管法（2)最大气泡压力法(3)滴重法(4)吊环法5、Kelvin公式及其计算25℃时，水的饱和蒸气压为3.168kPa，求该温度下比表面积为106m2*kg-1时球形水滴的蒸气压（水在25℃时的表面张力为71.97×10-3N*m-1).解：先求水滴半径：代入Kelvin公式：022ln(2-40)PVMRTPrr31131313333m4V=33()43110()6.21043.1416110rmrkgmkgm2321142s1132425A=4r43.1416(6.210)4.8310GAA7210Jm)(4.8310)3.510mmEmJ1－＝＝（331132232122233329-23222434344(6.210)43.1416310110Jm)(310m)=215.9JrrNrrrANrrmmmEA-3＝(721012(1/1/)(2-18)prr3322333621934433344433(10)(10)3103VNrrANrrrrrAkgmmkgmnm0-32631)1190-3-22ln2(71.9710)(1810=(8.314)(298)(310)=0.3486p=1.417p=1.4173.16810Nm=4.489kPaPVPRTrJmmmolJmolKKp6、Gibbs吸附等温式（溶液的表面张力）表面张力随溶液组成的变化规律一般有三种比较典型的类型Γ表示单位面积上吸附溶质的过剩量，其单位是摩尔/cm2。它表示溶质的表面浓度和本体浓度之差。如果为正，为正吸附，溶质的表面浓度大于本体浓度，即称为表面超量；若为负，则为负吸附，溶质的表面浓度小于本体浓度，叫做表面亏量。三、固体表面1、比表面积定义：•1g某种固体，其密度为2.2g/cm3，把它粉碎成边长为10－6cm的小立方体，求其总表面积。2、吸附等温线：吸附量可用单位质量吸附剂所吸附气体的量或体积来表示。3、Langmuir吸附等温式A、Langmuir吸附公式b为吸附系数，Vm代表表面上吸满单分子层气体的吸附量，V代表压力为P时的实际吸附量。（1）低压或吸附很弱时，bp《1,则θ=bp,即θ与p成直线关系（2）高压或吸附很强时，bp》1,则θ≈1，即θ与p无关，（3）当压力适中，θ用式（3-10）表示。B、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93.8dm-3*kg-1。已知CHCl3的分压为13.4kPa时的平衡吸附量为82.5dm-3*kg-1。试计算CHCl3的分压为为6.67kPa时的平衡吸附量。解：由Langmuir吸附等温式：已知：Vm＝93.8×10-3m3kg-1V=82.5×10-3m3kg-1P=13.4kPa代入上式，求得b＝5.45×10-4m2N-1以p=6.67kPa,Vm和b如上，代入Langmuir式，求得V＝73.6×10-3m3kg-14、BET多分子层吸附理论定义（1）固体表面是均匀的，吸附作用是吸附和解吸的平衡（2）吸附是多分子层的。各相邻吸附层之间存在着动态平衡。（3）第一层吸附是固体表面与气体分子之间的相互作用，其吸附热为ｑ１。第二层以上的吸附都是吸附质分子之间的相互作用，吸附热接近被吸附分子的凝聚热ｑＬ。5、Young方程和接触角定义Young方程接触角：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。Vbp=1+bpmV6、接触角的测定方法（1）停滴法（2）电子天平法7、润湿过程的三种类型（1）粘附润湿：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。（2）浸湿：浸湿过程是原来的气-固表面为液-固界面所代替。（3）铺展润湿：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。第2章表面活性剂1、什么是表面活性剂加入很少量就能大大降低溶剂的表面张力，使表面呈现活性状态的物质称为表面活性剂。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。3、表面活性剂的分类（1）按亲水基类型分：根据表面活性剂溶于水中能否解离,解离成何种离子进行分类(a)能电离的叫做离子型表面活性剂(b)不能电离的叫非离子型表面活性剂。（2）按分子量大小分：（a）低分子量表面活性剂：1000以下；（b）中高分子量表面活性剂：1000以上；（3）按工业用途分类：渗透剂、润湿剂、乳化剂、分散剂等。（4）按疏水基的类型分：（a）碳氢链；（b）聚氧丙烯；（c）氟表面活性剂（d）硅表面活性剂（e）含硼表面活性剂4、表面活性剂的表面物理化学性能（表面活性、CMC、PC20）表面活性剂的活性表面活性可以用（-dσ/dC）来表示。但定量的表征方式是σCMC，CMC或PC20。（1）σCMC是用于评价表面活性剂降低表面张力的能力的。（2）表面活性剂的效率：将表面张力降低到某一值以下，比较不同表面活性剂的浓度。浓度越小，效率越高。通常用CMC表示。（3）PC20：表面张力降低20mN/m时，溶液本体浓度(C2)的负对数值即为PC20。PC20值越大，表示该表面活性剂降低表面张力的效率越大；PC20值增加一单位，表面活性剂的效率提高10倍。表面活性剂的效率与能力不一定一致5、亲疏平衡值定义亲水-疏水平衡值HLB的大小表示表面活性剂亲水亲油性的相对大小，HLB值越大，表示该表面活性剂的亲水性越强，HLB越低，则亲油性或疏水性越强。6、HLB值范围及其适当用途HLB值范围应用HLB值范围应用1~3消泡剂8~18O/W型乳化剂3~6W/O型乳化剂13~15洗涤剂7~9润湿剂15~18增溶剂7、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:1005HLB亲水基部分分子量表面活性剂分子量1005亲水基分子量疏水基分子量亲水基分子量（2）求的HLB值解：亲水基分子量：（CH2CH2O)9=396表面活性剂分子量=616HLB=396/616*100/5=12.86对于聚乙二醇型非离子表面活性剂，上式可作如下改变：HLB=EO/5(5-2)其中EO为聚乙二醇部分及亲水基的质量%数（3）混合表面活性剂HLB值的计算8、什么是相转型温度（PIT)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),也叫做亲水-亲油平衡温度(HLB温度).9、什么是CMC？影响因素有哪些？（1）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)。（2）影响因素：①亲油因素使CMC下降；②亲水因素使CMC增加；③温度影响开始时CMC随温度升高而下降，中间经过一最小值，然后随温度升高而增大。10、Krafft温度离子型表面活性剂的溶解度随温度变化的特点是在足够低的温度下，溶解度随温度升高而慢慢增大，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。溶解度开始突然增大的温度叫Krafft温度,也叫K.P点.11、浊点非离子型表面活性剂溶液的溶解度随温度升高而下降，当温度升到一定值时，溶液突然变成混浊，此时的温度成为浊点，即C.P值。第3章高分子聚合物表面1、总结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σ-M-2/3或σ1/4对Mn-1作图外推；（3）由等张比容法估算（4）由表面张力与内聚能关系估算（5）测定液体对聚合物的接触角由方程式（6-40）求取σSL；（6）用两种已知σd和σp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，（7）用同系列液体测出其对高聚物的接触角，以cosθ-σLV作图，求临界表面张力σC。（8）用一系列测试液体测定其对高聚物的接触角θ，再求出σC,φ，以σC,φ对σLV作图，求σS的状态方程法.2、聚合物表面改性和表面接枝各有哪些方法？其原理各是什么？表面改性方法：（1）电晕放电处理（2）火焰处理和热处理（3）化学处理（4）臭氧氧化（5）低温等离子处理（6）表面接枝表面接枝方法:（1）表面接枝聚合法：①射线辐射法②低温等离子法③光化学接枝法（2）耦合接枝法（3）添加接枝共聚物法第五章生物材料表界面(2-5)AABBABmHLBmHLBHLBmm1界面浸润性的分析表征A.接触角———单丝浸润法、单丝浸润力法、毛细浸润法B.表面张力———采用固体聚合物表面张力的测定方法2增强纤维表面形貌的分析表征