材料表界面-第四章.ppt

第四章 液-固界面,一、 Young方程和接触角,四、黏附功和内聚能,五、Young-Dupre公式,二、接触角的测定方法,第四章 液-固界面,三、接触角的滞后现象,六、润湿过程的三种类型,4.1 Young方程和接触角,在气、液、固三相交界点，自固-液界面经过液体内部到气-液界面的夹角称为接触角，通常用q表示。,4.1 Young方程和接触角,（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。,4.1 Young方程和接触角,从力学观点推导Young方程,4.1 Young方程和接触角,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，dG=0,故,假定液滴足够小，重力影响可以忽略。,现液体发生一个小的位移，使各相界面的面积变化分别为：dA液气， dA固气， dA固液,停滴法,吊片法,电子天平法,4.2 接触角的测定方法,4.2 接触角的测定方法,1. 停留法,在光滑、均匀、水平的固体表面上放一小液滴，因液滴很小，重力作用可忽略。 将液滴视作球形的一部分，测出液滴高度h与底宽2r。由简单的几何分析可求出。,1. 停留法,4.2 接触角的测定方法,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。,4.2 接触角的测定方法,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： sin = 1 (gh22LG) 在已知LG的条件下，不难由上式求出。,若液面上升高度为h，由laplace方程,由于：,所以：,且：,有：,附：吊片法推导公式,令：,则,定积分：,得：,或：,4.2 接触角的测定方法,3. 电子天平法,设一根纤维浸在某液体中，纤维的另一端挂在电子天平的测量臂上。用升降装置使液面逐渐下降。纤维经(b)状态脱离液面，在纤维脱离液面的瞬间，电子天平测出该变化过程中力的变化P，由记录仪记下如右图的曲线。,如果液体完全润湿纤维，则 P = 2rL 式中r为纤维半径。若选用半径已知金属纤维，使液体能够完全润湿纤维，则测出P，即可求出液体的表面张力L。 如果液体与纤维之间的接触角为，则有 P = 2rLcos 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。,4.2 接触角的测定方法,3. 电子天平法,4.2 接触角的测定方法,3. 电子天平法,应用电子天平方法还可测定两种互不相溶液体之间的界面张力和界面接触角。,如图所示，L1和L2为互不相溶两种液体。纤维S插入通过L1，L2的界面，当升降装置下降，在纤维离开L1L2界面的瞬间，电子天平测出该过程的力变并记录下来。在测试中若纤维用铂金丝，以保证被液体完全润湿，则：P = 2rL1/L2 测定P可求出两种互不相溶液体的界面张力L1/L2。 若界面张力L1/L2已知，液体与纤维之间存在接触角L1/L2，则： P = 2rL1/L2 cosL1/L2 因此，测定P可求出纤维在L1L2界面的接触角L1/L2。,4.2 接触角的测定方法,3. 电子天平法,另一种电子天平法使用一束纤维，而不是一根纤维，如左图所示。在塑料管中充填一束纤维，充填率=0.470.53。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，可得如下曲线。,通过流体力学分析，可推导得出如下公式： m2 = (W121 cosH2WfAP1)t 式中：m为在润湿时刻t时的增重量，由实验记录； W1为平衡时的总增重量，由实验测定； H为纤维的充填高度，可量取； 为浸润液粘度，可查取； Wf为纤维的充填质量，可称取； AP为纤维的比表面积，可查取或测定； 1为液体的密度，可查取或测定； 1为液体的表面张力，可测定或查取。,4.2 接触角的测定方法,3. 电子天平法,按上式，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。,停滴法,吊片法,电子天平法,4.2 接触角的测定方法,决定和影响接触角大小的因素,物质的本性 (1)液体与固体表面性质差别越大接触角越大。 (2)在同一固体上液体的表面张力越大，接触角越大。,2. 接触角的滞后现象 （1）表面粗糙性 （2）表面不均匀性 （3）表面污染,4.3 接触角的滞后现象,4.3.1 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象。,接触角滞后的原因是由于液滴的前沿存在着能垒。,4.3 接触角的滞后现象,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,4.3.2 由于表面粗糙引起的滞后,A：真正表面积； A：表观表面积,当液滴向前推进时，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dScosw。,式中y为Young接触角，上式叫做Wentzel方程。它表明粗糙表面的cosw的绝对值总比平滑表面的cosy大。,如图所示，在平衡状态下有：,4.3 接触角的滞后现象,（1）当y90时，表面粗糙化将使接触角变大。润湿性更差。 （3）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。,4.3.3 由于表面不均匀性和多相性引起的滞后,4.3 接触角的滞后现象,在相的交界处存在着能垒，液体的前沿往往停留在相的交界处。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。,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。,4.3.4 表面污染,4.3 接触角的滞后现象,决定和影响接触角大小的因素,接触角的滞后现象 （1）表面粗糙性 （2）表面不均匀性 （3）表面污染,一、 Young方程和接触角,四、黏附功和内聚能,五、Young-Dupre公式,二、接触角的测定方法,三、接触角的滞后现象,六、润湿过程的三种类型,你有试过晾晒自己的心情么？ 这么好的阳光，这么好的天气，如果有很多不开心的事情， 让阳光晒凉一下你的心情 经常都在说：生活也许不能每天都阳光灿烂， 但是我们可以每天给生活一个微笑，给自己一缕阳光， 试试看，这样你的心情会好的。,4.4 黏附功和内聚能,在等温等压条件下，单位面积的液面与固体表面粘附时对外所作的最大功称为粘附功，它是液体能否润湿固体的一种量度。粘附功越大，液体越能润湿固体，液-固结合得越牢。,在粘附过程中，消失了单位液体表面和固体表面，产生了单位液-固界面。粘附功就等于这个过程表面吉布斯自由能变化值的负值。,液,4.4 黏附功和内聚能,等温、等压条件下，两个单位液面可逆聚合为液柱所作的最大功称为内聚能，是液体本身结合牢固程度的一种量度。,内聚时两个单位液面消失，所以，内聚功在数值上等于该变化过程表面自由能变化值的负值。,对固液界面，粘附功： 考虑到与气相平衡 Young方程：,W固液= 液气 (1 +cos),4.5 Young-Dupre公式,4.5 Young-Dupre公式,W固液= 液气 (1 +cos),(2) 如果=180，则： 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。,(3) 当0180时，固-液分子间有一定作用力， 越小， 越大， 湿润性能越好。,浸湿过程,铺展浸湿过程,黏附润湿过程,4.6 润湿过程的三种类型,4.6.1 粘附润湿过程,液体直接接触固体，变液-气表面和固-气表面为液-固界面的过程。,4.6 润湿过程的三种类型,4.6.1 粘附润湿过程,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。,4.6 润湿过程的三种类型,固-气 液-气 固-液,液,4.6.1 粘附润湿过程,4.6 润湿过程的三种类型,Ga0 ，粘附浸润才能发生。,Wa0，粘附浸润才能进行。,固-气 液-气 固-液,黏附功,a,4.6.2 浸湿过程,4.6 润湿过程的三种类型,浸湿过程是原来的气-固表面为液-固界面所代替。,固-气 固-液,液,气,液,气,固,4.6.2 浸湿过程,4.6 润湿过程的三种类型,Gi0即A0，浸湿过程才能进行。,固-气 固-液,Wi：浸湿功 令A=-Wi，A为黏附张力,黏附张力,液,气,4.6.3 铺展润湿过程,4.6 润湿过程的三种类型,铺展浸润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。,固-气 固-液 液-气,液,气,固,4.6.3 铺展润湿过程,4.6 润湿过程的三种类型,铺展浸润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。,气,Gs0即SL/S0 ，铺展过程才能进行。,液,气,4.6.3 铺展润湿过程,4.6 润湿过程的三种类型,SL/S：铺展系数,固-气 固-液 液-气,铺展系数,等温、等压条件下，单位面积的液固界面取代了单位面积的气固界面并产生了单位面积的气液界面，这过程表面自由能变化值的负值称为铺展系数，用SL/S表示。,若SL/S0，说明液体可以在固体表面自动铺展。,4.6.3 铺展润湿过程,4.6 润湿过程的三种类型,铺展系数(spreading coefficient),Sl/s = 固气- 固液 - 液气,4.6.4 湿润过程的比较,4.6 润湿过程的三种类型,黏附润湿： Wa = 固气- 固液 + 液气 浸湿： A = 固气- 固液 铺展润湿： Sl/s = 固气- 固液 - 液气,Wa A Sl/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。,4.6.4 湿润过程的比较,4.6 润湿过程的三种类型,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是有利的。,黏附润湿： Wa = 固气- 固液 + 液气 浸湿： A = 固气- 固液 铺展润湿： Sl/s = 固气- 固液 - 液气,借助Young方程，将SG=SL+LGcos, 代入可得：,黏附润湿： Wa = 固气- 固液 + 液气 浸湿： A = 固气- 固液 铺展润湿： Sl/s = 固气- 固液 - 液气,4.6.4 湿润过程的比较,4.6 润湿过程的三种类型,4.6.4 湿润过程的比较,4.6 润湿过程的三种类型,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。,4.6.4 湿润过程的比较,4.6 润湿过程的三种类型,黏附润湿： Wa = 固气- 固液 + 液气 浸湿： A = 固气- 固液 铺展润湿： Sl/s = 固气- 固液 - 液气,例：氧化铝瓷件上需要凃银，当加热到1273K时，试用计算接触角的方法判断液态银能否润湿氧化铝瓷件的表面？已知该温度下固体氧化铝的表面张力s-g=1.0N/m，液态银表面张力l-g=0.88N/m，液体银与固体氧化铝的界面张力s-l=1.77N/m。,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。,解：,不能润湿,例：一滴油酸在20oC时，落在洁净水面上，已知：水=7310-3 Nm-1 ， 油酸=3210-3 Nm-1；油酸,水=1210-3 Nm-1 ，油酸与水相互饱 和后，油酸=油酸 ，水=4010-3 Nm-1 据此判断：油酸在水面上开始与终了的形状。 水滴在油酸表面上的形状又如何？,黏附润湿： Wa = 固气- 固液 + 液气 浸湿： A = 固气- 固液 铺展润湿： Sl/s = 固气- 固液 - 液气,解: S油酸,水=水-油酸-油酸,水=2910-3 Nm-1 S油酸,水=水-油酸-油酸,水=-410-3 Nm-1 开始时油酸在水面上铺展成膜，终了时油酸缩