重点总结-材料表界面.ppt

材料表界面 管涌杨云霞 联系方法 材料学院实验一楼309室电话 64253343Email lsz 主讲教师 李书召 主讲教师 李书召 管涌杨云霞 主讲教师 李书召 主讲教师 李书召 主讲教师 管涌杨云霞 李书召 主讲教师 考核方式 平时成绩 20 包括考勤10 和课堂练习 作业等10 期末考试 80 附加分 5 第二章液体表面 2 1表面张力和表面自由能 2 1 1 表面张力产生的原因 温度升高表面张力如何变化 表面张力与表面能 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 也可以理解为表面自由能 简称表面能 表面功 温度 压力和组成恒定时 可逆使表面积增加dA所需要对体系作的功 称为表面功 用公式表示为 表面能与表面张力在量纲上等效 不严格区分 表面张力 例 20 时汞的表面张力为4 85 10 1Jm 2 求在此温度及101 335kPa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 例 试求25 质量m 1g的水形成一个球形水滴时的表面自由能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 2 3Laplace方程 2019 12 28 2 4液体表面张力的测定 2 4 1毛细管法 2 4 3滴重法 2019 12 28 2 5Kelvin公式 2019 12 28 例 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 2 5Kelvin公式 2019 12 28 应用Kelvin公式可以解释一些现象1 人工降雨2 过热液体3 过冷水4 过饱和液体 2 5Kelvin公式 2019 12 28 2 6Gibbs吸附等温式 溶液的表面张力溶液的表面张力不仅与温度和压力有关 还与其组成有关在水溶液中 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 2019 12 28 2 6 2Gibbs吸附等温式 2019 12 28 例 294K下测定甲酚水溶液的表面张力随甲酚浓度的变化关系如下 C mol l 0 23010 17930 11940 0816 10 3N m 40 9242 8147 8152 27C mol l 0 07260 04750 0323 10 3N m 53 9457 9461 98 1 求甲酚的表面吸附量 2 每平方米表面的甲酚分子数以及甲酚分子的横截面积 2019 12 28 例 19 时丁酸水溶液的表面张力可表示为 0 bln 1 c a 0为纯水表面张力 a b为常数 各为5 097 10 2mol L与0 180 c为浓度 求 1 c 0 200mol L时的 12 2 c a 1时的 12值 并计算丁酸分子所占面积 2019 12 28 解 因为 0 0bln 1 c a 所以 以a b c值代入 注意单位 厘米克秒制 2019 12 28 2 当c a 1时 1 c a c a a 式简化为 第三章固体表面 3 3 2langmuir等温式 此式称为Langmiur吸附等温式 b称为吸附系数 以p V p作图 可得一直线 从直线的斜率和截距可以求出Vm和b 4 Langmuir吸附等温式的另一种写法 例 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 二常数吸附等温式 3 21 3 22 例 77K时N2在硅胶上的吸附数据如下 其中吸附量已折算成S T P 已知硅胶的质量为0 5978g 用BET法求此硅胶的比表面积 P po0 076030 096870 15672 22130 2497V cm3 0 89840 92281 0761 1661 58 例 77K时N2在硅胶上的吸附数据如下 其中吸附量已折算成S T P 已知硅胶的质量为0 5978g 用BET法求此硅胶的比表面积 问题 为什么选择77K 氮气的沸点为零下196度 77K 其饱和蒸气压即为一个大气压 易于控温 第四章固 液界面 本节内容 Young方程接触角测试方法前进角 后退角三种润湿方式 2 Young方程 力学方法推导 4 2粘附功和内聚能 粘附功 内聚功或内聚能 4 3Young Dupre公式 4 4接触角的测定方法 4 4 1停滴法 4 4 2吊片法 4 4 3电子天平法 用纤维束测接触角示意图 4 5接触角的滞后现象 前进角后退角 4 6润湿过程的三种类型 粘附润湿浸湿铺展润湿 4 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 借助Young方程 将 SG SL LGcos 代入 5 34 中 可得 第5章表面活性剂 5 1 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 2 按亲水基类型分 表面活性剂溶于水能电离生成离子的叫做离子型表面活性剂 阴离子 阳离子和两性表面活性剂 不能电离的叫非离子型表面活性剂 3 按分子量分 低分子量表面活性剂 200 1000中高分子量表面活性剂 1000以上 聚乙二醇的醚键为何具有亲水性 5 1 3 5其它表面活性剂 相转移催化 水相 界面 有机相 阳离子冠醚的金属络合物Q X 的负电荷部分X 在水溶液中和其他阴离子Y 交换后 溶于含有反应试剂的RX有机相中 与RX反应生成RY 本身复原为Q X 同时再进入水相 反复循环 起到催化作用 5 2表面活性剂的表面物理化学性能 5 2 1 1亲疏平衡值亲水 疏水平衡值HLB Hydrophile LipophileBalance 的概念 5 2 1 2HLB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 例1 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 对多元醇型脂肪酸酯非离子型表面活性剂 HLB 20 1 S A S为酯的皂化值 A为脂肪酸的酸值 2 其他类型表面活性剂HLB值得计算 例 求甘油硬硬脂酸单酯的HLB值 已知其皂化值S 161 酸值A 198 解 HLB 20 1 161 198 3 8解2 20C 0 475 20 9 52 OH1 9 2 3 81个 COO 2 4HLB 3 8 2 4 7 9 5 3 7 例1 求太古油的HLB值解 疏水基含17个碳 L 17 0 475亲水基 COOH OSO3Na H 2 1 38 7HLB 7 38 7 2 1 17 0 475 39 7 HLB值的实验测定方法 1 分配系数法 将水和油 通常用辛烷 放在一起 再加入表面活性剂 当其在油水两相中达到溶解平衡时 分别测定它在两相中的浓度 水相中Cw 油相中Co 然后计算HLB值 3 混合表面活性剂HLB值的计算mA mB为混合表面活性剂种A B组分的质量 HLBA HLBB为A B组分各自的HLB值 第5章表面活性剂 2 相转型温度 PhaseInversionTemperature 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 PIT不仅可以反映亲水 亲油性 还可反映油的种类 温度 浓度 相体积的影响 PIT与HLB的关系近乎直线 可解释HLB值大 其亲水性强 其PIT越高 PIT随油相性质而改变 越容易溶解非离子表面活性剂的油 其PIT值越低 油相极性越小 PIT越高 固定表面活性剂浓度 增大油 水比例 PIT增大 固定表面活性剂与油相比例 即使增大油 水比 PIT不再变化 4 2 3临界胶束浓度 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 影响CMC的因素 4 2 4表面活性剂的溶解度 2 2 4 1Krafft温度 离子型表面活性剂的溶解度曲线及K P点 K P点实际上是分子溶解和胶束溶解的分界点 溶解度之所以急剧增加是由于表面活性剂以胶束形式溶解 温度低于K P点不形成胶束 只有温度高于K P点才形成胶束 因此 K P点相应溶液的浓度即为CMC值 K P点也可认为是表面活性剂在溶液中的溶解度等于它的CMC值时的温度 K P点之下无CMC 5 2 4 2浊点 聚氧乙烯链中氧与水分子形成的氢键 当温度上升时 氢键被削弱 升到一定温度 氢键断裂 表面活性剂从溶液中析出 使溶液突然变浊 具有相同极性剂的同系物 烃链较短者具有较高的浊点 如果烃链长度相同 则浊点随氧乙烯基团数n的增高而升高 如下图所示 5 2 6胶束的结构 形状和大小 5 2 6 1胶束的结构 离子型表面活性剂胶束呈球形 内核为近于液态的碳氢链 内核外部为与极性基团相连或相邻的CH2 周围有渗入的水分子 已成为胶束的一部分 故与内核的CH2不同 再外层由极性基团组成 最外层是与极性基团结合的反离子和结合水 在表面之外 还有由反离子组成的扩散层 双电层的存在 保证了胶束的稳定型 水溶液中聚氧乙烯非离子型胶束结构示意图 其内核与离子型表面活性剂一样 具有与液烃相似的性质 其表面由聚氧乙烯和醚键氧原子相结合的水构成 没有双电层结构 其表面厚度往往超过内核尺寸 第6章高分子材料的表界面 本节课内容 6 1表面张力与温度的关系6 2表面张力与分子量的关系6 3表面张力与表面形态的关系6 4表面张力与分子结构的关系6 5表面张力与内聚能密度6 6共聚 共混和添加剂对表面张力的影响6 7界面张力6 7 1Antoff规则6 7 2Good Girifalco理论6 7 3几何平均法6 7 4调和平均法6 8临界表面张力6 9状态方程 6 10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 M 2 3或 1 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 SL 6 用两种已知 d和 p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 按式 6 47 或 6 51 求出高聚物的表面张力