第3章-界面湿润现象

1、材料成形界面工程Interfacial Engineering in Materials Processing李 贵武汉科技大学机械自动化学院界面湿润现象3/3.1 界面湿润现象3.2 界面湿润原理及过程3.3 界面湿润的应用3.1 界面湿润现象n 1. 湿润现象大雾天气大雾天气3.1 界面湿润现象n 1. 湿润现象防水雨衣防水雨衣3.1 界面湿润现象n 1. 湿润现象湿润烧伤膏湿润烧伤膏3.1 界面湿润现象n 1. 湿润现象补水保湿面膜补水保湿面膜界面湿润原理及过程3/23.2 界面湿润原理及过程n 1. 湿润p 固体 (或液体) 表面上的气体被液体(或另一种不互溶液体)取代的现象 原因：固

2、体与液体接触后吉布斯函数降低( Gcos0,90s gs ll g时， 固体能为液体所润湿但液体仍然可以在固体表面完全铺展开来3.2 界面湿润原理及过程n 2. 接触角与湿润方程p 湿润方程(Yong方程)coss gs ll gYoung方程方程:(3) 不润湿0 1cos0,90s gs ll g时，固体不能为液体所润注：1. 接触角为平衡接触角; 2. s gs v3.2 界面湿润原理及过程n 3.沾湿 (adhesion)LSS-g界面界面L-g界面界面LSL-S界面界面p 粘附过程3.2 界面湿润原理及过程n 3.沾湿 (adhesion)p 粘附功(work of adhesion

3、)l sg lg s()sGA当当 G0时时, 粘附过程可以自发进行粘附过程可以自发进行3.2 界面湿润原理及过程n 4. 浸湿 (immersion)gas liquidsp 浸湿过程3.2 界面湿润原理及过程n 4. 浸湿 (immersion)p 浸湿功(work of immersion)l sg s()sGA当当 G0时时, 浸湿过程可以自发进行浸湿过程可以自发进行3.2 界面湿润原理及过程n 5. 铺展(spreading)p 铺展过程sS SL-g界面可忽略界面可忽略S-g界面界面S SS-L界面界面L-g界面界面3.2 界面湿润原理及过程n 5. 铺展(spreading)p

4、铺展系数(spreading coefficient)l sg lg s()sGA当当 G0时时, 铺展过程可以自发进行铺展过程可以自发进行3.2 界面湿润原理及过程n 6. 粘附功、浸湿功、铺展系数g lg sl saWgsl siWg sl sg lSaiWWSp 根据Young方程：coss gs ll gg lg sl s(1cos )al gWg sl scosil gWg sl sg l(cos1)l gS3.2 界面湿润原理及过程n 7. 临界界面张力临界界面张力只与固体表面性质有关lc液体即可在固体表面完全铺展3.2 界面湿润原理及过程n 8. 液体的铺展 一种液体能否在另一种

5、不互溶的液体上铺展, 取决于两种液体本身的表面张力和两种液体之间的界面张力 一般说, 铺展后, 表面自由能下降, 则这种铺展是自发的 大多数表面自由能较低的有机物可以在表面自由能较高的水面上铺展液相2 液相1气相 2, g 1, g 1, 2三相接界点: 1, g 和 1, 2 企图维持液体1不铺展 2, g 的作用是使液体铺展如果 2, g ( 1, g+ 1,2)：则液体1能在液体2上铺展界面湿润的应用3/33.3 界面湿润的应用n 界面湿润的作用1) 增加润湿作用增加润湿作用2) 降低润湿作用降低润湿作用3) 矿物浮选矿物浮选4) 毛细管现象毛细管现象3.3 界面湿润的应用n 1. 增加

6、润湿作用农药喷洒： 由于大多农药水溶性差, 对植物的茎叶润湿不好 一是滚落浪费, 二是不能展开而杀虫效果差 此时就要用到表面活性剂surface active agentSAA 加入表面活性剂SAA, 提高润湿程度, 即可大大提高药效3.3 界面湿润的应用n 2. 降低润湿作用 降低湿润作用也是利用表面活性剂, 但作用正相反 使某些物质本是润湿的变成不润湿去润湿作用 原理是用表面活性物质的极性部分选择性吸附 非极性部分向外呈憎水性一次性抽血器中盛血的玻璃管一次性抽血器中盛血的玻璃管(定量的定量的), 内壁要疏水化内壁要疏水化,使用的是硅偶联剂使用的是硅偶联剂,使血液在管内不残留使血液在管内不残

7、留3.3 界面湿润的应用n 3. 矿物浮选 矿物浮选基本原理就是润湿作用 把易被水润湿的表面(如矸石表面)称为亲水表面 把不易被水润湿的表面(如煤炭表面)称为疏水表面 相应的矿物分别称为亲水性和疏水性矿物3.3 界面湿润的应用n 3. 矿物浮选 矿物浮选操作过程 首先将粗矿磨碎首先将粗矿磨碎, 倾入浮选池中倾入浮选池中 在池水中加入捕集剂和起泡剂等表面活性剂在池水中加入捕集剂和起泡剂等表面活性剂 搅拌并从池底鼓气搅拌并从池底鼓气, 带有有效矿粉的气泡聚集表面带有有效矿粉的气泡聚集表面 收集并灭泡浓缩收集并灭泡浓缩, 从而达到了富集的目的从而达到了富集的目的 不含矿石的泥砂、岩石留在池底，定时清

8、除不含矿石的泥砂、岩石留在池底，定时清除3.3 界面湿润的应用n 3. 矿物浮选 选择性吸附过程展示： 气泡从疏水的煤的表面排开水层并与其粘附气泡从疏水的煤的表面排开水层并与其粘附 气泡不能从亲水的矸石的表面排开水层实现粘附，仍保持球形。气泡不能从亲水的矸石的表面排开水层实现粘附，仍保持球形。 矿物表面被水润湿的程度用矿物表面被水润湿的程度用接触角来评定接触角来评定 自然界矿物接触角很少有超自然界矿物接触角很少有超过过90的的 为了扩大矿物之间疏水性的为了扩大矿物之间疏水性的差异差异, 达到有效分选达到有效分选, 必须人必须人为增大或缩小特定矿物的接为增大或缩小特定矿物的接触角触角3.3 界面

9、湿润的应用n 3. 矿物浮选 浮选发展的三个阶段：(3) 泡沫浮选泡沫浮选: 利用气泡携带矿物上浮利用气泡携带矿物上浮 (1) 表层浮选表层浮选: 根据矿物的湿润性不同根据矿物的湿润性不同, 把磨细的矿粉撒于水面把磨细的矿粉撒于水面 疏水性的矿物漂在水面上作为精矿疏水性的矿物漂在水面上作为精矿 亲水性的浸没在水中即为尾矿亲水性的浸没在水中即为尾矿(2) 多油浮选多油浮选: 利用矿物和脉石的亲水性和亲油性不同，利用矿物和脉石的亲水性和亲油性不同， 加大油量与矿浆搅拌加大油量与矿浆搅拌, 然后将粘附于油层中的矿物刮出然后将粘附于油层中的矿物刮出3.3 界面湿润的应用n 3. 矿物浮选3.3 界面湿润的应用n 4. 毛细管现象 将毛细管插入液面后, 会发生液面沿毛细管上升(或下降)的现象, 称为毛细管现象(b)水水银在毛细管中下降银在毛细管中下降h(a)水水在毛细管中上升在毛细管中上升hP3.3 界面湿润的应用n 4. 毛细管现象 产生这种现象的原因(a)水水在毛细管中上升在毛细管中上升hP毛细管内的弯曲液面上存在附加压力p, 以毛细管上升为例。由于 p指向大气, 使得管内凹液面下的液体的承受压力小于管外水平液面下的液体所承受的压力故液体被压入管内, 平衡时, 则:r2pgh 注意：r 是弯曲液面的曲率半径。(不是毛