材料表界面作业答案.pdf

1 材料表界面 作业 第一章：序言 1. 何谓表界面？为什么说表界面不是几何学上的平面？ P1 （1）表界面是由一个相过渡到另一个相的过渡区域，由物质的具体聚集态表界面可以 分为：表面（固气、液气）；界面（固液、液液、固固） （2）表界面是相与相之间的过渡区域，其结构、能量、组成等都呈现出连续性变化，是一 个结构复杂，厚度约为几个分子维度的准三维区域，因此，表界面并不是几何学上的平面。 第二章：液体表面 2. 试述表面张力（表面能）产生的原因。 P12 原因为液体表面层的分子所受的力不均匀而产生的。 液体表面层即气液界面中的分子受 到指向液体内部的液体分子的吸引力， 也受到指向气相的气体分子的吸引力， 由于气相吸引 力太小，这样，气液界面的分子净受到指向液体内部并垂直于表面的引力作用，即为表面张 力。这里的分子间作用力为范德华力。 3. 在20及常压条件下，将半径为1.00cm的水滴分散成半径为1.00 m(10-6m) 的雾沫,需要做多少功? 在20及1.01*105Pa条件下，将半径为r1=1.00mm的水滴分散成半径为r2=10-3mm 的雾沫,需要做多少功? 解： 39 1 2 ()10 r N r 96 23 2 0.0728*4*3.14*10 *(10 )(10 ) 0.000913 r WJ 4.弯曲面的附加压力P 与液体表面张力和曲率半径之间存在怎样的关系？若 弯曲面为球面，平面又怎样？ 答：（1）关系为：Laplace 方程： （2）球面：2 / (2-15)pr 12 (1/1/) (2-18)prr 2 （3）平面： r1=r2=,即跨越平面没有压差。 5.5. 毛细管法测定液体表面张力的原理是什么？为什么要对毛细管法进行修正？ 答：原理：液体在毛细管中易产生毛细现象。由Laplace方程推广到一般情况: 其中 为气液两相密度之差, 为液体与管壁之间的接触角 ，r为毛细管的半径，由上式，从毛细管上升或下降高度h可以 求出表面张力，即： (2)修正的原因：把凹凸月面当作球面近似处理。只有在凹月面的最低点毛细上升的高 度才是h ，凸月面的最高下降才为h ，其余各点均大于h 。 6.试用Kelvin公式解释空气中水蒸汽过饱和的原因。在20下水的密度 =998.2kg/M3,表面张力为72.8*10（-3）N/m，若水滴半径为10（-6）cm，求水的 过饱和度。 答：（1）由Kelvin公式： P0为平液面的蒸汽压，P 为弯液面的蒸汽压，V 为液体摩尔体积，r 为弯液面的 曲率半径。 由上式可知，液滴的半径越小，其蒸气压越大。下面图示为根据 Kelvin 公式得 出的正常液体（平面）与小液滴的饱和蒸气压曲线。 gh=2 /r (2-20) 0 22 ln (2-40) PVM RT Prr O C O C A T/K p1 A p2 T1T2 A 蒸气压 3 OC 为通常液体的饱和蒸气压曲线，OC为微小液滴的饱和蒸气压曲线。若将压 力为 p1 的蒸汽恒压降温至 T1（A 点） ，此时水蒸气的压力对通常液体已达饱和 状态，但对小液滴却未达到饱和状态（饱和压力为 p2） ，因此在 A 点时不能凝结 出小液滴， 只有继续降温至T2才可能有液滴生成。 温度为T1压力为p1p2 （AA） ， 或压力为 p1 温度为 T1T2 范围（AA“）都不可能有液滴形成。 从以上分析可以看出， 若蒸汽的过饱和程度不高， 对小液滴未达到饱和状态时， 小液滴既不可能产生，也不可能存在，这种按相平衡的条件，应该凝结而未凝结 的蒸汽，称为过饱和蒸汽。 （2） 7. 水蒸气迅速冷却到25时发生过饱和现象。已知该温度下水的表面张力 =71.49mN/m，当过饱和水蒸气压力为水的4倍时，试计算： （1）在此过饱和情况下，开始形成水滴的半径 （2）此种水滴中含有多少个水分子。 9. 乙醇的表面张力符合公式：=72-0.5c+0.2C 2,c是乙醇的摩尔浓度（mol/L）， 温度为25，计算0.5mol/L乙醇溶液的表面超量。 4 解： 0.50.2*2* =-0.5+0.4*C=-0.3 d c dc 62-82 0.5 -*-0.3 =6.05*10.dm =6.05*10 mol/cm 8.314*298 c d mol RTdc （） P25 11.试比较二维理想气体定律和理想气体状态方程的异同。 二维理想气体定律 理想气体状态方程 A=RT pv=RT 忽略了分子间互相作用力，利用理想化模型推导公式 表面压较小的情况下成立 低压、高温条件下成立 总结： 界面化学四大定律 Laplace 方程方程 Kelvin 公式公式 Gibbs 吸附等温式吸附等温式 Young 方程 SG = SL + LG cos （ 4-1) 12 (1/1/) (2-18)prr 0 22 ln (2-40) PVM RT Prr 1 12 (2-47) 2 ln 22 c ccRTRT TT 5 第三章 固体表面 1.讨论固体的表面特性 答：(1) 固体表面原子（分子）的运动受缚性（迁移性）：表面原子（分子）的运动受到 束缚，不能像液体分子那样自由移动。（2）固体表面不均一性。（3）固体表面的吸附性： 吸附其他物质的能力。 2设每个银胶体粒子皆为立方体，边长为0.04m，银的密度为10.5gcm 3，求 (1)0.1g银可得到多少个上述大小的银胶体粒子? (2)所有这些粒子的总表面积及比表面积为多大? (3)若0.1g银为一个立方体，其表面积和比表面积是多大? 解：（1） 边长为0.04m银的立方体体积： 34 36 3173 (0.04*10 )(4*10 )6.4*10()vacm 边长为0.04m银的立方体个数： 14 16 0.1 1.488*10 ( 6.72*10 n 个） 1716 10.5*6.4*106.72*10mv 0.1g银可得到上述大小的银胶体粒子数目： 14 16 0.1 1.488*10 ( 6.72*10 n 个） （2）单个粒子的表面积： 26 2112 A66*(4*10 )9.6*10acm 所有这些粒子的总表面积：n*A=1.428*10 4(cm2) 4 5 1.428*10 =1.428*10 0.1 2 表面积 比表面积（cm /g) 质量 (3) 0.1g银的体积： 3 3 0.1 0.0095 10.5 / mg vcm g cm 31/31/3 0.0095vaav 其表面积为： A=6a 2=6*0.00952/3= 2/3 6*0.0095 = 0.1 2 表面积 比表面积（cm /g) 质量 3. 比较物理吸附和化学吸附的区别 项目 物理吸附 化学吸附 吸附力 范德华力 化学键力 吸附热 小，接近液化热 大，接近反应热 选择性 无 有 吸附层 单、多分子层 单分子层 6 吸附速度 快，不需要活化能 慢，需要活化能 可逆性 可逆性 不可逆性 发生吸附速度 低于吸附质临界温度 远高于吸附质沸点 4. 4.固液界面 1.什么是 Youngs 方程？接触角的大小与液体对固体的湿润性好坏有怎样的 关系？ 答：Young 方程为： SG = SL + LG cos =0 0完全浸润，液体在固体表面铺展。 0 0 9090。液体可润湿固体吧，且越小，润湿性越好。 9090 180180 液体不润湿固体液体不润湿固体 =180=180，完全不润湿，液体在固体表面凝聚成小球。完全不润湿，液体在固体表面凝聚成小球。 2. 根据 Young-Dupre 方程，请设计测定固液界面粘附功的方法。 （1）Young-Dupre 方程： 2222 22 sin,tan hrhr hrrh (1 cos ) SLLG W （2）由(1 cos ) SLLG W知，测出角即可求出表面黏附功WSL 具体方法：在光滑、均匀的固体表面上放一个小液滴，重力作用可以忽略， 将液滴视作球形的一部份，测出液滴的高度h与宽度2r 由 2222 22 sin,tan hrhr hrrh ，求出角，计算出WSL 5. 7 解： 6. 为什么说铺展是湿润的最高形式。 第 5 章 表面活性剂 1. 什么是表面活性剂？表面活性剂的分子结构有什么特点？ 答： （1）表面活性剂是指能使溶剂表面张力降低，且使表面呈现活性状态的物质。 （2）分子结构是由两种不同性质的基团所组成。一种为非极性亲油基团，另外一种为极性 亲水基团，即表面活性剂既具有亲水性又有疏水性，形成一种所谓的“两亲结构”的分子。 2. 表面活性剂的浓度对溶液的表面张力有怎样的影响？为什么有这样的影响？ (1)随着表面活性剂浓度的增加，表面张力而下降，当达到临界浓度时，表面张 力就不再发生变化。 （2）表面活性剂其亲水端向水，亲油段相空气，其浓度的上升会使分子聚集在 表面，这样，空气和水的接触面减小，表面张力急剧下降，与此同时，水中的表 面活性剂也聚集在一起，排列成憎水基向里，亲水基向外的胶束。表面活性剂浓 度进一步增加，水溶液表面聚集了足够多的表面活性剂的分子，无间隙地布满在 水溶液表面上，形成单分子膜。此时，空气和水完全处于隔绝状态，表面张力趋 于平缓。 3. 表面活性剂按亲水剂类型可怎样分类？ 表面活性剂溶于水能电离成离子的叫做离子型表面活性剂， R 基不能电离的叫做 8 非离子型表面活性剂。 其中离子型表面活性剂可分成阴离子、阳离子和两性表 面活性剂。 4. 何谓 HLB 值？HLB 值对表面活性剂的选用有何指导意义？ （1） HLB 值是指表面活性剂的亲水性与亲油性的相对大小。 （2）HLB 越大表示该表面活性剂的亲水性越强,HLB 值越低,则亲油性越强.由此,可根据表 面活性剂的HLB 值的大小,初步选择我们所需要的活性剂类型. 5. 试求下列表面活性剂十二烷基苯磺酸钠的 HLB 值。 6. 什么是相转型温度？用 PIT 表示表面活性剂的亲水亲油性较HLB 值有什么 优点？ P56 （）相转型温度是指非离子型表面活性剂在低温下可形成水包油(O/W)型乳状液,随 着温度升高,溶解度降低,HLB 值下降,使得乳状液从原来的 （） 型转变为油包水型 （ ）所对应的温度又称为亲水-亲油平衡温度 7. 什么是 cmc 浓度？试讨论影响cmc 的因素。请设计一种实验测定cmc 的 方法。 P57（1）CMC 浓度是指随着表面活性剂浓度上升，溶液的表面张力逐渐下降，直至表面张 力几乎不变时所 发生转折时的浓度。 （2）疏水基的影响、亲水基、温度、添加剂（电解质、有机物）。 （3）测定方法：测定电导率、渗透压、冰点、增溶性、洗净力等物理量发生显著变化的转 折点 9. 温度对离子型表面活性剂和非离子型表面活性剂溶解度的影响有什么不同？ 为什么离子 型表面活性剂在K.P 点以上溶解度迅速增大， 而非离子型表面活性剂在C.P 点变 成浑浊？ P60 （1）离子型：在足够低的温度下，溶解度随温度升高而慢慢增大，当温度达到一定值 后，溶解度会突然增大Krafft 现象 非离子型：溶解度随温度升高而下降，当温度升高到一定温度时，溶液会突然变浑浊 （2）离子型：表面活性剂以胶束形式溶解 非离子型： 温度上升时，氢键被削弱， 达到C.P.点时， 氢键断裂， 表面活性剂从溶液中析出， 溶液变得浑浊。 9 第6章 高分子材科的表面张力 1.怎样用表面张力与温度或分子量的关系间接测定高分子材料的表面张力？ P86 答： 2. 分别用等张比容和内聚能密度法估算下列高分子化合物的表面张力。 1)聚苯乙烯 2)聚乙二醇（聚氧化乙烯） 3. 怎样用几何平均法和调和平均法来测定聚合物的表面张力及其分量？对课本 P102 的例题，请用调和平均法进行计算。 10 4.有人将二甲基硅氧烷齐聚物接枝到聚苯乙烯大分子键上， 发现接枝聚合物的表 面张力随接枝率增高而下降，当接枝率达到一定位后，高聚物的表面张力接近于 聚二甲基硅氧烷，试分析其原因。 答：由于聚二甲基硅氧烷表面能比聚苯乙烯表面能低，二者形成接枝共聚物后， 根据体系能量最低原则，聚二甲基硅氧烷优先吸附在表面，使体系能量降低，当 聚二甲基硅氧烷接枝率达到一定位后，聚合物表面全部被聚二甲基硅氧烷占据， 表面张力下降到聚二甲基硅氧烷均聚物水平。 5. 怎样测定固体材料的临界表面张力？临界表面张力是否等于固体的表面张 力？ 答： 6. 总结固体聚合物表面张力的测试方法。 温度与表面张力的关系。 分子量与表面的关系。 等张比容估算。 内聚能估算。 测定液体对聚合物的接触角 11 几何平均法、调和平均法计算。 用同系物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。 用一系列测试液测定其对高聚物的接触角 由式，求出 ，用对作图，求的状态方程法。 第 1对聚合物进行表面处理的目的是什么? 答： 聚合物表基团表面能低、化学惰性、表面污染及存在弱边界层等原因， 往往难以润湿和融合， 因此， 常常要对聚合物进行表面改性。 表面改性的目的是： 改变表面化学组成，引进带有反应性的功能团；清除杂质或弱边界层等；改变界 面的物理形态；提高表面能，改进聚合物表面的润湿性和黏结性；通过表面接枝 反应，设计界面过渡层。 2. 聚烯烃薄膜经电晕处理后表面性能可能发生怎样的变化？ 答：经过电晕处理后，聚合物表面可形成各种的极性基团，改善聚合物的粘接性和润湿性， 对油墨的附着力显著改善，表面张力、剥离力明显提高。 3. 为什么抗氧剂对聚合物的高温热处理有较大影响而对火焰材料没有影响? 4. 试讨论用液态氧化法处理聚合物的优缺点。 答：优点：（1）可润湿性大大增加（2）表面张力增大（3）与各种液体接触角明显减小， 粘接性能大大增加。 缺点：氧化处理会有大量的酸废液产生，污染严重。 5试讨论臭或或化处理在聚丙烯表面产生含氧极性基团的机理， 6. 低温等离子处理对聚合物的表面改性能产生些什么效果？ 答： （1）表面交联：等离子体中高能粒子轰击聚合物表面，产生了大量的自由基，自由 基间的相互作用，在表面形成致密的交联结构，同时也形成了大量的不饱和键。（2）极性 基团的引入 ：等离子体表面氧化反应为自由基链反应，氧的介入，可以引入大量的含氧基 12 团，如羧基、羰基、羟基。（3）对润湿性的影响 改善表面的润湿性，使聚合物表面张力增 大，接触角变小。 （4）对粘接性的影响 极性基团的引入使其与其它的材料的粘结强度大大 增强。（5）其它作用 引起聚合物失重、表面形成小坑。裂解产物中分子量较大的降解聚合 物，与未降解的相比，分子量较低，其玻璃化温度和粘度较低，因此可以通过界面的流动性 和相互的扩散改善可粘结性。 7. 聚合物表面接枝有哪些方法？其原理各是什么？ （1）表面接枝聚合 大分子偶合 添加接枝共聚物 （2）表面接枝聚合：在光、辐射线、紫外线、等离子体使聚合物表面产生活性 种，引发乙烯基单体自由基聚合，进行表面接枝。 大分子偶合： 聚合物表面产生反应性活性基团，使之与带有反应基团的大分子 反应偶合，实现其表面接枝。 添加接枝共聚物 在欲改性的高聚物中添加有界面活化性能的共聚物成型，共聚 物亲基材段嵌入到基材内部，留下接枝段在基质聚合物的表面上，达到表面改性 的目的。 第10章 复合材科的界面 1.为什么说界面对复合材料的性能起着重要的作用？ （1）复合材料界面包含着两相之间的过渡区域的三维界面相，界面相内的化学组分、分子 排列、热性能、力学性能等呈连续性变化。 （2）复合材料的性能并非组分材料的性能简单加和，而是产生了1+12的协同效应。 （3）两相复合过程中，会出现热应力（导热系数、膨胀系数的不同）、界面化学效应（官 能团之间的作用或反应）和界面结晶效应（成核诱发结晶、横晶）。这些效应引起的界面微 观结构和性能特征，对复合材料的性能产生直接的影响。 2 复合材料中使用的3种主要热固性树脂是什么?阐述它们的合成原理和固化机 理。 答：3 种主要热固性树脂：热固性聚合物基：不饱和聚酯、环氧树脂、酚醛树脂热固性聚合物基：不饱和聚酯、环氧树脂、酚醛树脂 等。等。 （1） 不饱和聚酯树脂是由饱和二元酸不饱和聚酯树脂是由饱和二元酸( (或酸酐或酸酐) )，不饱和二元酸（或酸酐）与，不饱和二元酸（或酸酐）与 多元醇缩聚而成的聚酯在乙烯基单体（如苯乙烯）中的溶液。多元醇缩聚而成的聚酯在乙烯基单体（如苯乙烯）中的溶液。 合成：合成： 首先，多元酸（酸酐）与多元醇缩聚，形成分子量不很大的、主链含有双键的首先，多元酸（酸酐）与多元醇缩聚，形成分子量不很大的、主链含有双键的 不饱和聚酯：不饱和聚酯： C C O O O COOH COOH HOOC COOH C C O O O + CH3 CH CH2 OHOH CH2 CH2 OH OH C O C H CH CO OO 固化：在引发剂的存在下，不饱和聚酯中的双键与苯乙烯发生自由基共聚反应，在引发剂的存在下，不饱和聚酯中的双键与苯乙烯发生自由基共聚反应， 交联成三元网状结构交联成三元网状结构 13 （2） 环氧树脂环氧树脂是指分环氧树脂是指分子结构中含有子结构中含有 2 个或个或 2 个以上环氧基的化合物。个以上环氧基的化合物。 环氧基可在分子链末端，也可在分子链的中间。环氧基可在分子链末端，也可在分子链的中间。 合成： 缩缩缩缩水水水水甘甘甘甘油油油油醚醚醚醚型型型型环环环环氧氧氧氧树树树树脂脂脂脂 缩缩缩缩水水水水甘甘甘甘油油油油胺胺胺胺型型型型环环环环氧氧氧氧树树树树脂脂脂脂 缩缩缩缩水水水水甘甘甘甘油油油油酯酯酯酯型型型型环环环环氧氧氧氧树树树树脂脂脂脂 固化：应性固化剂：与环氧分子进行加成反应，并通过逐步反应历程交应性固化剂：与环氧分子进行加成反应，并通过逐步反应历程交 联成体型网状结构联成体型网状结构 脂肪族多元胺、芳香胺、多元酸等脂肪族多元胺、芳香胺、多元酸等 催化性固化剂：引发环氧基按阳离子或阴离子聚合的历程进行固化反应催化性固化剂：引发环氧基按阳离子或阴离子聚合的历程进行固化反应 叔胺、三氟化硼等叔胺、三氟化硼等 脂脂肪肪族族多多元元胺胺固固化化原原理理 （3）热固性酚醛树脂：以碱为催化剂，热固性酚醛树脂：以碱为催化剂，甲醛甲醛/ /苯酚摩尔比大于苯酚摩尔比大于 1 1，反应到，反应到 一定阶段停止，加热固化。一定阶段停止，加热固化。 热塑性酚醛树脂：以酸为催化剂，甲醛热塑性酚醛树脂：以酸为催化剂，甲醛/ /苯酚摩尔比小于苯酚摩尔比小于 1 1，加入六次甲，加入六次甲 基四胺等固化剂才能固化。基四胺等固化剂才能固化。 反反应应原原理理：第第一一步步甲甲醛醛与与苯苯酚酚加加成成生生成成羟羟甲甲基基苯苯酚酚 2 O 2 2 2 OH CH CHR-NH+R-N CH -CH CH -CH OH C O O O O C HC-CH HC-CH HC-CHHC-CH C O O O O C CH-Ph CH n n CH-Ph CH R-OH+CH2-CH-CH2Cl O R-O-CH2-CH-CH2Cl OH R-O-CH2-CH-CH2 O R-NH2+CH2-CH-CH2Cl O R-NH-CH2-CH-CH2Cl OH R-NH-CH2-CH-CH2 O R-COOH+CH2-CH-CH2Cl O R-COO-CH2-CH-CH2Cl OH R-COO-CH2-CH-CH 2 O 14 第第第第二二二二步步步步羟羟羟羟甲甲甲甲基基基基与与与与苯苯苯苯酚酚酚酚邻邻邻邻对对对对位位位位氢氢氢氢脱脱脱脱水水水水缩缩缩缩合合合合 或或羟羟甲甲基基与与羟羟甲甲基基缩缩合合成成醚醚键键，再再在在加加热热下下脱脱去去甲甲醛醛成成次次甲甲基基 固化：碱催化下第二步羟甲基缩合反应较慢，羟甲基可稳定存在，因此在以后加 热时，羟甲基可继续反应，固化成网络结构。 酸催化下，羟甲基的缩合反应迅速，生成的羟甲基立即缩合，但因苯酚过量，甲 醛消耗完反应终止。以后再加入甲醛或固化剂，反应继续，固化成网络结构。 酚醛树脂固化反应有小分子放出，所以固化在加热、加压下进行。 3.什么是偶联剂？说明硅烷偶联剂对玻璃纤维增强塑料的作用机理。 （1）偶联剂是分子含有两种不同性质基团的化合物，其中一种基团可与增强材 料发生物理或化学作用，另一种基团可与基体发生物理或化学作用。 （2）X 基团的水解，形成硅醇； 硅醇的羟基之间以及硅醇的羟基与玻璃纤 维表面的羟基形成氢键；硅羟基间脱水形成硅氧键。 4若玻璃纤维增强塑料的基体是不饱和聚