第3章-界面湿润现象

材料成形界面工程 InterfacialEngineeringinMaterialsProcessing 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 1 湿润现象 大雾天气 3 1界面湿润现象 1 湿润现象 防水雨衣 3 1界面湿润现象 1 湿润现象 湿润烧伤膏 3 1界面湿润现象 1 湿润现象 补水保湿面膜 界面湿润原理及过程 3 2 3 2界面湿润原理及过程 1 湿润 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 固体与液体接触后吉布斯函数降低 G 0 1 浸湿润湿 按润湿程度深浅分类 一定温度和压力下 润湿的程度可用润湿过程的吉布斯函数改变量来衡量 吉布斯函数降低越多 越易润湿 2 铺展润湿 3 沾附润湿 3 2界面湿润原理及过程 2 接触角与湿润方程 接触角 contactangle 液体在固体表面上形成的液滴 它可以是扁平状 也可以是圆球状 这主要是由各种界面张力的大小来决定 如图 一液滴在固体表面上不完全展开时 有三种界面张力 同时作用于O点处的液体分子上 O 3 2界面湿润原理及过程 2 接触角与湿润方程 接触角 contactangle 当系统达到平衡时 在气 液 固三相交界点 气 液与气 固界面张力之间的夹角称为接触角 通常用表示 q 若接触角大于90 说明液体不能润湿固体 如汞在玻璃表面 若接触角小于90 液体能润湿固体 如水在洁净的玻璃表面 不润湿 憎液性固体 润湿 亲液性固体 3 2界面湿润原理及过程 2 接触角与湿润方程 接触角 contactangle 的测定 斜板法 在实际测量时亦可将固体平板斜插入待测液体中因表面张力的作用在三相交界处会产生弯月面 保持一定的接触角改变插入的角度 直到液面与平板接触之处不产生液面弯曲 此时板面与液面之间的夹角即为接触角 3 2界面湿润原理及过程 2 接触角与湿润方程 接触角 contactangle 的测定 Neumann法 竖板毛细升高法 竖板毛细升高法最初由Neumann提出采用薄板垂直插入液体中 通过测量板侧面的毛细升高高度确定接触角对无限宽的平板 直接对Laplace方程积分可得 Neumann应用数字影像方法 使测量精度提高到 0 06 特别适合测量动态接触角和接触角随温度的变化关系 3 2界面湿润原理及过程 2 接触角与湿润方程 三种界面张力 1 接触角的大小是由在气 液 固三相交界处的三种界面张力的相对大小所决定2 接触角的数值反映了液体对固体的润湿程度 s g 力图将液体拉往左方 使液体铺展 rls O s g l g s l s l 力图将液体分子往右拉 使液滴收缩 l g 力图将液体分子拉向液面切线方向 使液滴收缩 3 2界面湿润原理及过程 2 接触角与湿润方程 湿润方程 Yong方程 Young方程 3 2界面湿润原理及过程 2 接触角与湿润方程 湿润方程 Yong方程 Young方程 1 完全润湿时 Young方程不成立 2 润湿 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 2 接触角与湿润方程 湿润方程 Yong方程 Young方程 3 不润湿 固体不能为液体所润 注 1 接触角为平衡接触角 2 3 2界面湿润原理及过程 3 沾湿 adhesion L S S g界面 L g界面 L S L S界面 粘附过程 3 2界面湿润原理及过程 3 沾湿 adhesion 粘附功 workofadhesion 当 G 0时 粘附过程可以自发进行 定义粘附功Wa Wa 0时 粘附过程可以自发进行 3 2界面湿润原理及过程 4 浸湿 immersion s 浸湿过程 3 2界面湿润原理及过程 4 浸湿 immersion 浸湿功 workofimmersion 当 G 0时 浸湿过程可以自发进行 定义浸湿功Wi Wi 0时 浸湿过程可以自发进行 3 2界面湿润原理及过程 5 铺展 spreading 铺展过程 3 2界面湿润原理及过程 5 铺展 spreading 铺展系数 spreadingcoefficient 当 G 0时 铺展过程可以自发进行 定义铺展系数S S 0时 铺展过程可以自发进行 3 2界面湿润原理及过程 6 粘附功 浸湿功 铺展系数 根据Young方程 3 2界面湿润原理及过程 7 临界界面张力 临界界面张力只与固体表面性质有关 液体即可在固体表面完全铺展 3 2界面湿润原理及过程 8 液体的铺展 一种液体能否在另一种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 三相接界点 g1 g和g1 2企图维持液体1不铺展g2 g的作用是使液体铺展如果g2 g g1 g g1 2 则液体1能在液体2上铺展 界面湿润的应用 3 3 3 3界面湿润的应用 界面湿润的作用 1 增加润湿作用2 降低润湿作用3 矿物浮选4 毛细管现象 3 3界面湿润的应用 1 增加润湿作用 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surfaceactiveagent SAA 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 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 定量的 内壁要疏水化 使用的是硅偶联剂 使血液在管内不残留 3 3界面湿润的应用 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 3 矿物浮选 矿物浮选操作过程 首先将粗矿磨碎 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 搅拌并从池底鼓气 带有有效矿粉的气泡聚集表面收集并灭泡浓缩 从而达到了富集的目的 不含矿石的泥砂 岩石留在池底 定时清除 3 3界面湿润的应用 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接触角来评定 自然界矿物接触角很少有超过90 的 为了扩大矿物之间疏水性的差异 达到有效分选 必须人为增大或缩小特定矿物的接触角 3 3界面湿润的应用 3 矿物浮选 浮选发展的三个阶段 3 泡沫浮选 利用气泡携带矿物上浮 表层浮选 多油浮选 泡沫浮选 表层浮选 根据矿物的湿润性不同 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亲水性的浸没在水中即为尾矿 多油浮选 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 然后将粘附于油层中的矿物刮出 3 3界面湿润的应用 3 矿物浮选 3 3界面湿润的应用 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 3 3界面湿润的应用 4 毛细管现象 产生这种现象的原因 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