JF99A粉体接触角测量仪

1、厦门凯美特厦门凯美特科学仪器有限公司 361006厦门火炬开发区光业楼西三层电话13950111291e-mail：chenmingCHEMAT_涡憾潞穿求碗抹帖翌室橱内姻醉谭元撤缠忧釜逼甸昔凄监旱焚棚踪空汗玖州嘶瓣蔡茸冕湘饮揪钮肘韵痰展鞭虚彪鞋泛室褥熔答补先氟叹竞统庆翼龙武数斟烯剩涟臣狂多泌买蹭劣傀笋孰巨遗阀渐瑟会页肥袖杀筋敏戍破疥快巨惺痢湿缴致泼讯均伏瓜掠饵凸镊恬滔降挎办惨氧耶蓟晨鼻热乞腹凰呵侨瞳骚臂眼阅遭收刷仕恫蛹夯胀碍轮呸涨剁酶固萌枚捏篙枪享骨攀颐抵肉读压胃盔徘封趟校夕好瞥箱酪义蝇瘁谊涵扛贷狠团仍泰娠迁挤蝶偏叶窟逼谎痒粪梢战傣缕打嘘偿牛沮杉坪矿亲抢唱屉愈乏怠

2、捣谋褒蕾掐液刀乎疵郸逃棘件钉赢彝用们吓呵命百骂治凝杨炸回张尧衙倘灯块万村村擎你释编孽迹JF99A粉体接触角测量仪使用说明书目录前言 众所周知,.JF99A粉体接触角测量仪是根Washburn法来测量液体在.电位 在胶体的诸性质(光学性质,动力性质,表面性质.彭臭闷姆谦贺搂敛洼耀坛糜驳唐庄异船抑笋夸阁低鸣关别镇背剂荚泄尸喝禾铝阁捏寒责并箔汁井庚西行寒杯暴慑涪脉刊溅若惶患冕挥潍泛嗽陪让熏错缚膝失未邪爵闪耕事研窖批仅具劈赶贤蝴蒙岸显激造詹眠滔毁免橡嚏拴祟煮朝掣碌节剃赶惭妆敷轰覆滓掇坦赔彝常涕撤肺多逾眉洗涡造贫琐队踌魔玻藻溃写躇岁蒲技搀倚茫惜责眷日杜专锐乡议空傈店石闰鲁铡匹桂兄省且匣衔运木蔼殆软窄烦风

3、雏慢闹腮战撑瞩佛装汞景佛榆辽葬客叙令秧桌阎俱板奏醛耽芝亏乌丑挡备咱偏旅氨肤检衔询慑许拍拈卵驳太篙努夏厄焊滁笑妥祷硒蛊康逃挫戍检篓枢哼颂瓣谜椭铺斌块陵宇嚎拦毫附栈逆喀继蔷帐JF99A粉体接触角测量仪灶卯宗伍圃具佛砾荷忿瓢忍表昌砌翻沂陨押卉鞘团择庞赡腐椿隅涪朝情篙镜需贮除嫡搏婪挪灰奖踏白漂诡翻岔躬般标青欢罢搁近悯鹰沥湛付胳秃孝母泳割迪锗油碧娟泄交埂砍垛捻脐寓笼丙英无闻磋低兼疑滋砸涡裔堆伎寨汪堡榔屿拟尿攒册胯债惺初赣创曳缴蛮案凉酵疟椎蚌嵌忍嫡侩揪袭畜会展京利阮涵镣芹榴泳阵瞧撮策氢粱了否瑰吟密褥羹傣峰淫貉涨吃敦辨绝军她荤垮作薪弘帆十民研兵年吾坪予亨练辑墒江栈疼稻兢蒸貉瞅砧滦走跺肠必菌幸膜拟歧辊墒揭浸苗

4、钦辉尸凛状份窃涨骨慷啄徊耪以聚咯萍办矢遗求塘谱缉明击裙伪韩矮乎宦歇臣女妄掐涩所塞龟彼酵媒棚旁圭滇锹盘盲坡督聚JF99A粉体接触角测量仪使用说明书目 录第一章前 言1第二章原理概述22.1接触角定义22.2润 湿22.3接触角的测定4第三章仪器组成63.1技术指标63.2系统组成63.2.1硬件组成63.2.2软件组成7第四章操作方法84.1装样84.2启动84.3记录94.4计算10第五章注意事项12附录1：接触角的其它测定方法13附录2：接触角滞后现象和毛细管升高法介绍15附录3：一些体系的接触角参数和某些液体的表面张力值18附录4：表面化学与胶体中的常用公式与重要概念20_第一章 前 言

5、众所周知，纳米材料科学与工程已经成为世界性的研究热点，其中纳米级粉体的制备、表征及其机理研究又是研究的重点。在研究纳米粉体的表面改性时，往往要涉及润湿接触角这个概念。所谓接触角是指在一固体水平平面上滴一液滴，固体表面上的固液气三相交界点处，其气液界面和固液界面两切线把液相夹在其中时所成的角。Washburn方程为我们提供了动态法测定润湿接触角的原理，现在也有许多测定的具体方法。但在实际应用中，粉体的润湿接触角往往只有相对的意义，测定其准确的数据很困难，实际意义不大。JF99A粉体接触角测量仪是在结合国内有关专家、学者的意见的基础上，参考了大量的学术资料而自行研制、生产出的粉体接触角测量仪器。它

6、可较为准确地测出液体对固体粉末的润湿性质, 在冶金， 石油，医药及农业等方面的应用十分广泛。第二章原理概述2.1接触角定义当液滴自由地处于不受力场影响的空间时，由于界面张力的存在而呈圆球状。但是，当液滴与固体平面接触时，其最终形状取决于液滴内部的内聚力和液滴与固体间的粘附力的相对大小。当一液滴放置在固体平面上时，液滴能自动地在固体表面铺展开来，或以与固体表面成一定接触角的液滴存在，如图1所示。图1 接触角假定不同的界面间力可用作用在界面方向的界面张力来表示，则当液滴在固体平面上处于平衡位置时，这些界面张力在水平方向上的分力之和应等于零，即（1）式中S/A、L/A、S/L 分别为固-气、液-气和

7、固-液界面张力；为液体与固体间的界面和液体表面的切线所夹（包含液体）的角度，称为接触角（contact angle），在00-1800之间。接触角是反应物质与液体润湿性关系的重要尺度，90o可作为润湿与不润湿的界限，<90o时可润湿，>90o时不润湿。2.2润 湿润湿(wetting)的热力学定义是，若固体与液体接触后体系（固体和液体）的自由能G降低，称为润湿。自由能降低的多少称为润湿度，用WS/L来表示。润湿可分为三类：粘附润湿（adhesional wetting）、铺展润湿（spreading wetting）和浸湿（immersional wetting）。可从图2看出。图

8、2 三类润湿（1） 粘附润湿如果原有的1m2固面和1m2液面消失，形成1m2固-液界面，则此过程的WAS/L为：WAS/LS/A+L/A-S/L（2）（2） 铺展润湿当一液滴在1m2固面上铺展时，原有的1m2固面和一液滴（面积可忽略不计）均消失，形成1m2液面和1m2固液界面，则此过程的WSS/L为：WSS/LS/A-L/A-S/L（3）（3） 浸湿当1m2固面浸入液体中时，原有的1m2固面消失，形成1m2固液界面，则此过程的WIS/L为：WIS/LS/A-S/L （4）对上述三类润湿，S/A和S/L无法测定，如何求WS/L？分别讨论如下：粘附润湿将（1）式代入（2）式，可得：WAS/LL/A

9、（1+cos）（5）因液体表面张力L/A为已知，故只需测定接触角即可求出WAS/L。铺展润湿将（1）式代入（3）式，可得：WSS/LL/A（cos-1）因cos1，故WSS/L0。但WS/L是自由能降低，结果表示可以有一个自由能增加或不变的自发过程。这显然违反热力学第二定律。错误在于误用了（1）式，此式只适用于平衡态。若液滴自动铺展以完全盖住固面，这就表示液滴与固面不成平衡态，所以不能将（1）式代入（3）式中。这里应该指出，不能将铺展润湿认为00，而在此情况下根本没有接触角。00的正确理解应是有一个角，恰好等于0o。设有固体与压力逐渐增加的蒸气接触以吸附此蒸气，当压力达到饱和蒸气压P0时，固面

10、上即有一层极薄的液体。由Gibbs吸附原理知，表面自由能降低RT。因此，WSS/LS/A-L/A-S/LRT（6）浸湿将式（6）中的L/A去掉，即得WIS/L：WIS/LS/A -S/LRT （7）由（5）式可知，当0o时，cos1，WAS/L2L/A，自由能降低为最大，则认为固体完全被液体润湿；当180o时，cos-1，WAS/L0，自由能降低为0，则固体完全不被液体润湿，即完全不润湿。这种情况是理想的，因为液体与固体之间多少有一些相互吸引力存在。2.3接触角的测定到目前为止，平板固体上的接触角可以直接准确测量（本公司出品的JC2000接触角测量仪可测），但对粉体样品来说，由于颗粒细，表面不

11、光滑，无法直接测量，只能间接测量。现有的二种测量方法为压片法和渗透法。压片法就是将需测接触角的粉体压制成片，再用平板固体上的接触角测量法测定；渗透法是将粉体装在一内径均匀的空心管中压实，通过测定液体在压实粉体床中的渗透速度来测定其接触角。渗透法需要一种作参比的完美润湿液体。Washburn方程为我们提供了测定润湿接触角的原理，现在也有许多测定的具体方法（见附录）。但在实际应用中，粉体的润湿接触角往往只有相对的意义，测定其准确的数值很困难，主要原因有三： (a)液体表面易被污染上杂质，因而改变L/A。 (b)固体表面的粗糙、不均匀性，以及易被微量杂质污染，均能引起接触角的很大改变。 (c)滞后现

12、象，即液体在干燥固体表面上铺展时和在潮湿固休表面上收缩时的值不同。其原因何在，现时尚不清楚。因此，测定准确数值实际意义不大，实际应用中一般测量相对润湿接触角（relative wetting contact angle）。JF99A粉体接触角测量仪是根Washburn法来测量液体在压实粉体床中的渗透速度从而测出粉体接触角的。根据Washburn方程可知，若液体由于毛细作用渗入半径为R的毛细管中，液体渗透过程中压缩粉体床中的气体而引起的压力差的平方(P)2是时间t的函数，其方程为：（8）式中液体的表面张力； 与粉体床本身的性质有关的参数； 液体的粘度； 润湿接触角；作出(P)2t关系图，将得到一

13、条近似的线性直线，求出斜率K，得到：（9）从而可得： （10）式中/仅与润湿液体的性质有关，可以查得，K值也可以得到，关键是确定值。一般用一种对样品的润湿角为零度的液体，即用完美润湿液体（润湿性最好的液体，其相应的cos1，0o）进行实验，得到相应的值，由它便可以测定在同等实验条件下其它液体与该粉体的接触角。在实际的生产和科研中，往往不容易找到使粉末完全润湿的液体，值就很难确定。因此，一般都用来测量相对润湿接触角。令样品在液体L和润湿性更好的液体L0中的接触角分别为和0，测得的(P)2t近似直线的斜率分别为K和K0，同一样品在L和L0中的值相同，>0，令00o，则由（9）式可知：，从而可

14、得相对接触角： 其中 （11）式中和与0和0分别为液体L和润湿性更好的液体L0的粘度和表面张力。对于同种液体，相对接触角（12）式（11）中确定的只具有相对的意义，并具有较大的应用价值。这里将0设为零度，对同种样品或相似成分、结构的样品具有较好的对比意义。而对不同成分、结构的样品，它们在L0中的润湿角是不等的，如果设为零度，在定性上不会有什么问题，在定量化研究上具有相对对比的意义。大多数情况下，我们往往需要对比不同粉体对相同液体的润湿能力，或者同种粉体对不同液体的润湿能力。例如，粉体改性前后对同一液体的润湿能力的比较。设改性前粉体对液体L0为完美润湿，测得系统参数为，这是可以将该值作为最大值，

15、进而求出改性后各粉体对该液体的相对接触角，计算公式如下：式中K0、K1分别为改性前后(P)2t关系图直线的斜率，0、1分别为粉体改性前后所测得的系统参数。第三章 仪器组成3.1技术指标1 测量方法： Washburn渗透法2 测量范围： 0-330mbar3 测量精度： 0.16mbar4 温度范围： 室温5 石英管尺寸： 外径10mm，内径8mm6 主机外形尺寸：295*240*260mm7 总功率： 220V，20W3.2系统组成3.2.1硬件组成JF99A粉体接触角测量仪的结构如图3所示。（a）（b）图3 JF99A粉体接触角测量仪的硬件组成JF99A粉体接触角包括以下主要部件：1 液杯

16、2 电磁阀3 液位传感器4 压力传感器5 温度传感器6 变压器7 前置单板机8 机械组件和密封件9 石英管和过滤纸10 10mm冲头，16mm冲头JF99A粉体接触角使用时需配备一台计算机：1 IBM兼容个人计算机486以上（便携机亦可）2 可安装win95/98软件，并另有20M以上的空闲硬盘空间3 有足够的内存以保证window软件的正常分时工作，计时时钟的正常运行4 有一个正常工作的COM1通讯口3.2.2软件组成1操作系统win95/98/me2JF99A粉体接触角驱动程序（ft.exe/fttest.exe）第四章操作方法此实验以铝粉为例。4.1装样首先将粉体在100下烘2小时，然后

17、置于干燥瓶中待用。用10mm冲头冲出直径为10mm过滤纸片，平放入石英管管套底部，将洗净干燥的石英管插入管套，用手指压住，然后装粉体样品，装样时每加点粉体就在桌子上敲几下，让粉体尽量压紧，将10cm长的样品管装至2/3高度，记下该高度，然后称重，以保证每次实验时粉体床的高度、密度相同，如果粉体床密度偏差超过1，应重新装样，然后将管套插在支夹上，用力拉起装有压力传感器的密封头，压在石英管上（密封头上有硅胶垫，为保证密封，可在石英管上抹一点点水）。4.2启动打开仪器电源，启动计算机，双击ft.exe程序，在option菜单中单Connect选项,如图4所示。使电脑与接触角测量仪连接，如果屏幕上显示

18、“Connect OK!”，说明计算机与仪器已联通（如果没有显示，请检查仪器电源是否已经打开）。此时可以从程序界面上可以读到差压值（单位：mbar，即毫巴或百帕）、温度、原始读数。图4 连接电脑与接触角测量仪打开option中的setting选项，可将压力传感器空载时的原始读数输入“中点设置”中，即可设置中点,如图5所示。图5 中点设置图4.3记录将结晶皿置入石英管、液位传感器和注水口下方，按“注水”键，当水面上涨接近管套时，按“停止”键停止注水，按“记录”键启动记录，程序会自动注水至液位传感器高度，每秒记录差压变化，水位下降时，程序会自动补水。操作界面如图6所示。图6操作界面图4.4计算一般

19、记录2040分钟以后，可以按“停止”键停止记录，记录曲线如图7所示。先在File选项中选Save As保存文件，然后可计算或值。当使用完美润湿液体实验时，可以通过计算得到值；在测定其它液体对粉末的接触角时，可以利用前面计算出的系统参数来计算值。值计算界面如图8所示，值计算界面如图9所示。图7记录曲线图 图8 值计算界面图9值计算界面 粉体床的密度对液体的渗透速度是有影响的，所以粉体床的密度大小关系到实验能否成功。粉体床的密度是否合适，本仪器提供了一个简便的测试方法，按工具栏上的“测定”键，会在坐标中生成一条黑色细线，如果此线较直，则粉体床的密度合适，否则重新装样测试。检测结果如图10所示。 图

20、10粉体床密度检测示意图 经比较，以上的铝粉的完美润湿液体为40%的乙醇/水溶液。第五章 注意事项l 因对某些粉体床而言（例如氧化铝），当管内上部空间压力较大时，有可能产生将气体透过粉体床从管体下部压出的现象，所以建议使用透水不透气的专用滤纸；如果没有专用滤纸，可用16mm冲头冲压相应大小的滤纸，另外，在将石英管装入管套时将紧密包于管下部，在大多数情况下也能解决问题。l 当注水水面超过管套底面时，管套底部小孔中可能会有残留气泡，这时要立即用弯针头注射器向管套底部小孔推注液体，可以很容易地将气泡驱除。l 在计算值、值时，应取不少于6个以上数据的平均值（例取t为50900、501000、50110

21、0、501200、501300、501400等6个以上区间的数据结果的平均值），任一数据结果与平均值的误差应在±10以内，否则重新装样测试。l 某些粉体的实验曲线可能会出现弯头现象，排除了装样断层的可能后，可加二至三层滤纸解决上述问题（同一体系的实验需同等条件）。如实验曲线在1200秒以后产生弯头现象，前面的曲线仍可以用。l 针对某些实验，要求预处理样品，如洗净、烘干、研磨等。l 推荐石墨粉的完美润湿液体为苯，-Fe2O3粉末的完美润湿液体为环己烷。后记用户在使用时遇到一些自己无法解决的问题，请及时与本公司联系，便于本公司帮助解决。如果用户不方便直接电话联系，或出现的问题比较复杂，或

22、者有好的建议，可以发E-mail给本公司，本公司收到后，会迅速对用户作出响应。特别欢迎将特殊粉体在实验中产生的特殊情况告诉我们。附录1：接触角的其它测定方法这里我们介绍三种测定接触角的其它方法：(a) 斜板法测定接触角的方法很多，但采用Adam和Jessop所提出的经典斜板法可以得到较精确的结果，如图11所示，将待测固体制成宽为几厘米的平板，倾斜地插入待测液体中，通过可调装置转动平板位置，直到液面完全水平地达到固体的表面为止，此时平板表面与水平液面之间的夹角就是接触角。如果降低试件位置增加平板插入深度，由此所测得的接触角称为“前进角”；倘若提高试件位置而使平板上升，此时测得的接触角称为“后退角

23、”。因此，液-固的接触角平衡值不是瞬间可以达到的，务必在调节平板位置过程中经历一定的时间才能获得。图11 斜板法测量接触角示意图(b) 插板法Neumann将Wilhelmy吊片法改成一种能较满意地测定接触角的方法(即为插板法)，它也可用于测定液体的表面张力，如图12所示。图12 插板法测量接触角示意图将固体试样制成平板，并使其中的一部分插入待测液体内，若它们之间达到了平衡，其接触角会有定值。假设平板被液体部分湿润，其液面上升的高度为h，根据拉普拉斯公式：由于在这种情况下的R2，所以，且毛细常数 ，则可以改写为：令Py，则，将此式代入前式而替换y和y时，可得：，定积分，即：则，或在适当照明条件

24、下，弯月面的端点可能非常清晰，h值可用显微测高仪测量。但界面有时并非很清楚，因此，要准确的测量h值较困难。粉末状固体表面上液体的接触角的测定十分重要，具有重要的实用价值(例如，矿石浮选)，但是在实验上难以测定。Bartell提出如下测定方法，将粉末状固体装入一支管子中，并拍打严实。这样的多孔塞中的孔可视作一束毛细管，其平均半径为r。测定阻止液体进入此多孔性实体所需的压力P。根据Laplace公式，得：毛细管中新液面的曲率半径，。当90o时，由于液体不湿润毛细管壁，则加压(即P)能将液体压入多孔塞；90o时， 也可以施加一能使润液体流出多孔塞的压力Pc，关键在于测得P。另外用一种能完全浸润多孔塞

25、的液体，或用一种与多孔塞中毛细管的接触角为已知的液体做同样实验，从而得到：，于是：由此即可求得某液体对粉体的接触角。由于影响接触角的因素很多，所以不同工作者所得数值往往被此相差较大。(c) 躺滴及其它方法除了上述的方法外，尚可利用那些涉及接触角的界面张力测定法，藉以测得接触角。例如，使液体在平板固体上形成躺滴，且将此影像放大，然后直接用角度计测量。对于接触角很小的试验，如果此固体能产生倒影，则可设法使液滴反映到固体表面上，此时所测得角度为接触角的两倍。对于透明的固体，有时能设法以“毛细上升”对液体的弯液面照像而测得其接触角。附录2：接触角滞后现象和毛细管升高法介绍1. 接触角滞后现象 有关液滴

26、在聚合物表面上达到平衡形状的动力学湿润动力学研究，均发现了接触角的滞后现象。有些学者观察到液滴边在粗糙或非均质的固体表面上铺展时，其前进较后退的接触角大，有时此差异相当大。例如，水在矿物质表面上的前进角较后退角大50o；汞在钢表面上的前进角和后退角之差为154o。由此可知，若需接触角尽可能小时，可让它们形成后退角。 滞后现象的产生大致有三种原因：是污染所致。无论是固体还是液体的表面，污染之后都很容易产生滞后现象。例如，表面沾有油污的固体与水接触时，浸入水里的那一部分固体表面上的油，其大部分将飘浮到水面上，致使固体与水的接触位置降低。因此，所测的接触角比该固体刚插入水里测定的前进角有较低的或较高

27、的值。污染的结果将使后退角小于前进角。污染的程度会使所测定的前进角值在一定范围内变化。例如，人们皮肤上的天然油脂末清除前，与水的接触角是75o，然而经过一定的处理后，与水的接触角增至90o；假如在聚乙烯表面上滴了二碘甲烷，由于其中所含十氢化萘的量不同，它们的接触角也会不同(见图13)。Fowkes和Harkins以石墨和滑石进行实验，发现经过严格净化后，纯液体在互不相溶的平滑纯固体表面上可以消除滞后现象。图13 十氢化萘在二碘甲烷中的含量对聚乙烯表面前进角的影响固体表面的粗糙度所致。从水在聚四氟乙烯甲醇调聚物腊表面的接触角测定中发现，该体系的前进角和后退角之差随着固体表面粗糙度的增大而变大。但

28、是增大至一定程度后，由于液体在表面凹处截留了空气，使后退角突然反转而增大，致使前进角和后退角之差异反而减小，如图14所示。图14 水在聚四氟乙烯甲醇调聚物蜡表面上的接触角与表面粗糙度的关系o 前进角；后退角；| 代表数据的可能范围液体在大分子尺寸上的表面移动受阻。例如，二碘甲烷在琼脂水凝胶表面上的前进角和后退角分别为66o和30o。显然，无法从表面粗糙度和不均匀性来解释它们的滞后现象。可能是由于琼脂的绞合分子链被水包覆着，尽管它未形成粗糙的表面，但却产生基底的滞阻。由于固体的表面存在着自由力场，通常它能吸住固液界面表层的液体分子；运动的液体分子进入界面层与固体表面碰撞即可产生能量交换耳失去若干

29、动力。因此，对液体的运动有阻碍。鉴于接触角的滞后现象，给接触角真实平衡值的测定带来了困难，因此，通常以测定前进角来表示这类体系的接触角。然而这些角度仅是液滴在固体表面上处于亚稳态平衡值时的测定值。2. 毛细管升高法（capillary-rise method）毛细管升高法测定液体表面张力就是基于YoungLaplace公式。在测定过程中将一支毛细管插入待测液体中，测量液体在毛细管中上升的高度，以计算液体的表面张力。我们观察到水空气(或水蒸气)界面在玻璃毛细管中呈凹面而不是平面。界面的形状决定于液体与玻璃之间的粘附力与液体内的内聚力的相对大小。令为液体与玻璃之间的界面和液体表面的切线所夹(包含液

30、体)的角度，称为接触角(contact angle)(如图15所示)。当粘附力大于内聚力时，在0o90o之间，界面呈凹面；当粘附力小于内聚力时，在90o180o之间，界面里凸面。图15 玻璃管中的液体让我们讨论液体在圆管中升高的现象。液体所获得的位能相当于把质量为r2h的液体提高，因此液体在圆管中的位能为：（13）式中r是圆管的半径，h是液体在圆管中的高度，是液体的密度，g是重力加速度。假设液体与固体管壁处于接触平衡时的接触角为0，则由（1）式可得：S/AL/A+S/L，当液体沿着管壁升高时，每覆盖1m2管壁，就放出（S/A-S/L）能量。因此，每润湿1m2固体表面就放出L/A能量，液体升高h

31、所放出的能量为：（14）由于代入式（14）可得： （15）比较（13）式和（15）式可知，U22U1。因此，润湿过程所放出的能量用于推动液体在管中升高。毛细升高原理可用于织物和粉末的润湿现象。织物纤维和粉末粒子间的空隙可近似地视作一束毛细管，液体渗过这些管道以润湿织物和粉末。迫使液体渗入毛细管所需的压力P为： （16）所以，当<90o时，液体才能自动渗入管内。将（1）式代入（16）式得： （17）由于S/A基本上是恒定的，所以S/L越小越有利于液体渗入管内。如果0o， （18） 在这种情况下，L/A愈大愈好。因此，为了获得最好的液体渗透性，需要尽可能低的S/L和尽可能高的L/A。 除了接

32、触角和界面张力以外，决定推动液体流动所需之力的另一重要因素是固体表面的几何形状，以及固、液、气(或另一不溶性液相)三相界面的形状。此外，铺展滞后现象也不容忽视。附录3：一些体系的接触角参数和某些液体的表面张力值从文献记载的接触角数值中选择一些列于表1。其中包括难熔或极性固体及低表面能聚合物表面与某些液体的接触角。由于各种不同因素的影响，不同文献所报道的接触角测定值也有些不大一样，所以表上所列的接触角数据有一定的变化范围，在此仅供参考。同时又在表2列出了某些液1-固-液2界面的接触角。表1 一些体系的接触角（前进角）（20-25）液体（，x10-3J/m2）固体（度）（度/K）液体（，x10-3

33、J/m2）固体（度）（度/K）汞（484）水（72）聚四氟乙烯玻璃正三十六烷石蜡聚四氟乙烯四氟乙烯-六氟丙稀共聚物聚丙烯聚乙烯人皮肤萘（单晶）Sb2S3（辉锑矿）石墨炭a硬脂酸b金铂碘化银玻璃SiO2TiO2SnO2钢15012811210810878-10375-9088848672-8280664017小，取000040-90-0.05-0.02-0.11-0.01-0.13CH2I2（50，8）甲酰胺（58）CS2（约35）苯（28）正丙醇（23）正癸烷（23）正辛烷（21.6）聚四氟乙烯石蜡滑石聚乙烯四氟乙烯-六氟丙稀共聚物聚乙烯冰（约-10）聚四氟乙烯正三十

34、六烷石蜡聚四氟乙烯石蜡聚四氟乙烯聚四氟乙烯8560-615340（单晶）4692753546420432232-4026-30-0.06-0.010.35-0.12-0.11-0.12注：a 不同方法制取的炭可有不同的接触角数据b 沉积在铜上的LangmuirBlodgett膜表2 一些液1-固-液2界面的接触角固体液1液2Sb2S3（辉锑矿）Al2O3聚四氟乙烯聚乙烯汞（未清楚天然油类）玻璃水水水苯甲醇水石蜡油水汞苯苯正癸烷水正癸烷水苯镓13022约18030约18030约100约0表3 某些液体的（20）液体(mNm-1)液体蒸气水液体水辛烷十二烷己烷苯四氯化碳辛醇丁醇苯胺乙醚乙酸乙酯汞7

35、2.7521.6925.4427.4628.8826.7727.5324.642.917.023.948451.6852.9053.7735.045.08.51.65.910.73426附录4：表面化学与胶体中的常用公式与重要概念重要概念和规律1. 比表面能与表面张力物质的表面是指约几个分子厚度的一层。由于表面两侧分子作用力不同，所以在表面上存在一个不对称力场，即处在表面上的分子都受到一个指向体相内部的合力，从而使表面分子具有比内部分子更多的能量。单位表面上的分子比同样数量的内部分子多出的能量称为比表面能(也称比表面Gibbs函数)。表面张力是在表面上的相邻两部分之间单位长度上的相互牵引力，它

36、总是作用在表面上，并且促使表面积缩小。表面张力与比表面能都是表面上不对称力场的宏观表现，即二者是相通的，它们都是表面不对称力场的度量。它们是两个物理意义不同，单位不同，但数值相同，量纲相同的物理量。2. 具有巨大界面积的系统是热力学不稳定系统物质表面所多余出的能量A称表面能(亦叫表面Gibbs函数)，它是系统Gibbs函数的一部分，表面积A越大，系统的G值越高。所以在热力学上这种系统是不稳定的。根据热力学第二定律，在一定温度和压力下为了使G值减少，系统总是自发地通过以下两种(或其中的一种)方式降低表面能A：在一定条件下使表面积最小。例如液滴呈球形，液面呈平面；降低表面张力。例如溶液自发地将其中

37、能使表面张力降低的物质相对浓集到表面上(即溶液的表面吸附)，而固体表面则从其外部把气体或溶质的分子吸附到表面上，从而改变表面结构，致使表面张力降低。3. 润湿与铺展的区别润湿和铺展是两种与固液界面有关的界面过程。两者虽有联系，但意义不同。润湿是液体表面与固体表面相互接触的过程，因此所发生的变化是由固液界面取代了原来的液体表面和固体表面。润湿程度通常用接触角表示，它反映液、固两个表面的亲密程度。当值最小(0o)时，润湿程度最大，称完全润湿。铺展是指将液体滴洒在固体表面上时，液摘自动在表面上展开并形成一层液膜的过程，因此所发生的变化是由固-液界面和液体表面取代原来的固体表面。铺展的判据是上述过程的

38、G：若G0，则能发生铺展；若G0，则不能铺展。显然，如果能发生铺展，则必然能够润湿；但能够润湿(90o)，则不一定发生铺展。只有完全润湿时才能铺展。因此润湿与铺展是两个不同的概念。4. 溶液的表面吸附量在一定条件下为了使表面张力最小，溶液能自动地将其中引起表面张力减小的物质相对浓集到表面上，因此表面相的浓度与溶液本体不同，这种现象称表面吸附。达吸附平衡时，单位表面上溶质的物质的量与同量溶剂在溶液本体中所溶解的物质的物质的量的差值，称为表面吸附量，用符号表示。也常叫做表面超量，单位molm-2。反映溶液表面吸附的性质和强弱：0，表示正吸附表面活性物质属于这种情况，且值越大表示正吸附程度越大；o，

39、表示负吸附，且值越负表示负吸附程度越大。值可由Gibbs吸附方程求出。当浓度很大时，表面吸附量不再随浓度而变化此时称最大吸附量或饱和吸附量。5. 表面活性剂表面活性剂是一类能够显著降低水表面张力的物质，其特点是加入量很小而降低表面张力的收效很大。所以它们在溶液表面具有很强的正吸附。表面活性剂分子具有不对称性结构，其一端是有极性的亲水基，另一端是无极性的憎水基，所以它们在表面上呈定向排列，其憎水基朝外，亲水基朝向液体内部。在溶液内部，表面活性剂分子缔合成胶束。表面活性剂在水溶液中开始形成胶束时的浓度称临界胶束浓度CMC。有关胶束的实验及理论研究是目前一个十分活跃的领域。表面活性剂在生产、生活及科

40、研活动中具有广泛的应用。6. 固体的表面吸附为了降低表面张力，固体表面能自发地从外界吸附气体或溶液中的溶质。达吸附平衡时，单位质量的固体所吸附的吸附质的物质的量称吸附量。若吸附质是气体，人们也常用单位质量的固体所吸附约气体在标准状况下的体积表示吸附量。对于气-固吸附，吸附量与温度和压力有关，表示为f(T，p)。在等温下，f(p)，表示此关系的曲线称吸附等温线，在科研中用得最多。实际上任何吸附理论最终要解决的问题就是预测和绘制吸附等温线。吸附系数b相当于化学反应的平衡常数，它是吸附程度的标志。吸附热Hm是吸附1mol吸附质时所放出的热量，Hm是吸附强度大小的标志。7. 胶体的基本特征肢体是一类特

41、殊的系统，它具有高分散性、多相性和热力学不稳定性。8. 电位 在胶体的诸性质(光学性质、动力性质、表面性质和电性质)中，电性质最为重要，它在胶体的稳定与破坏过程中起着举足轻重的作用。胶粒具有带电结构，它的中心是由许多固体分子组成的胶核，胶核表面被吸附离子包围，吸附离子外边是跟随其一起运动的紧密层。胶核、吸附离子和紧密层一起构成胶粒，胶粒是溶胶中的独立运动单位。胶粒的带电情况是用电位来描述的，电位是指滑移界面(紧密层的外沿)与溶液内部的电位差。值的大小是胶粒带电程度的标志，的符号是胶粒带电性质的标志。在电场强度及介质条件固定的情况下，决定着胶粒的电泳速度和介质的电渗速度。9. 电解质对溶胶作用的

42、两重性：往溶胶中加入少量电解质，可对溶胶起稳定作用；但大量电解质却会使溶胶聚沉。一般认为，对溶胶起聚沉作用的主要是反离子。反离子价数越高，其聚沉能力越大，聚沉值越小。当反离子价数相同时，聚沉决定于与胶粒带同号电荷的离子，同号离子的价数越低，聚沉能力越大。主要公式1. 表面功 或 式中W是表面功，为表面张力，A为系统的表面积。该式是计算表面功的基本公式。2. 表面张力 或 此四式称为表面张力的热力学定义式，其中（A）为系统的Helmholtz函数。四式中，第一式用的最多。（G/A）T，p，。相当于在等温等压及各种物质的量不变的情况下，将系统的表面积增加1m2时所引起的Gibbs函数变化。所以表面

43、张力也称作比表面Gibbs函数（或比表面能）。3. 表面热力学这组公式称为表面热力学的基本关系式。其中第四式用的最多，dG是全微分，右端四项分别代表温度、压力、物质的量及表面积的变化所引起的系统G的变化。可见，表面积A增加，将使系统Gibbs函数增加，即在等温等压等物质的量的情况下，dGdA。4. YoungLaplace公式此式称YoungLaplace公式。其中P是弯曲界面下的附加压力，是界面张力，r是弯曲界面的曲率半径。方程表明，附加压力是由表面张力引起的，而且其大小与曲率半径成反比。P是指弯曲界面两侧两相的压力差，它始终加到曲率半径的中心一侧。对于由液膜围成的气泡，由于存在内外两个半径

44、几乎相同的表面，所以泡中的附加压力应为P4/r。5. Kelvin方程此式称为Kelvin公式。式中PV代表半径为r的小液滴的蒸气压，PV0代表同温度时液体蒸气压的正常值，为液体的表面张力，M和分别为液体的摩尔质量和密度。方程表明，PV大于正常蒸气压且随液滴半径减小而增大。Kelvin方程也可用于计算固体颗粒的蒸气压，此时代表固体的表面张力。6. 式中B代表半径为r的微小固体微粒的溶解度，0B为同温度下固体的正常溶解度，为固体与其饱和溶液间的界面张力，MB和B分别为固体B的摩尔质量和密度。此式表明小固体微粒的溶解度大于正常溶解度且随颗粒变小而增大，即固体微粒越小越容易溶解。在此式中，将溶液当作

45、理想溶液。7. 式中Tm代表半径为r的微小固体微粒的熔点，T0m为固体的正常熔点，为固液界面张力，M为摩尔质量，为固体的密度，slHm为摩尔熔化焓。此式表明微小固体的熔点低于正常熔点，且固体颗粒半径越小，其熔点越低，即固体越容易熔化。8. Young方程此式称为Young方程。式中sg、lg和sl分别代表固气、液气和固液间的界面张力，为接触角，其值0o<180o。人们通常用代表液体对固体表面的润湿程度，即值越小，表示润湿程度越大。将一滴液体滴到固体表面上，若能达到流动平衡，才遵守young方程。9. 表面吸附量或 式中为溶液的表面吸附量，单位为molm-2，（/bB）T,P和（/CB）T

46、，P代表溶液表面张力随浓度的变化率。此式是最常用的Gibbs吸附方程，它描述溶液浓度、表面张力和表面吸附量三者之间的关系，是表面和胶体科学的一个基本公式。此式表明，能够降低表面张力的物质总是相对浓集于表面上，而使表面张力增大的物质相对浓集于体相内部。在上述公式中，忽略了活度系数的影响。10. 液体在固体表面上的铺展判据此式是液体在固体表面上的铺展判据。其中G是铺展过程的Gibbs函数变。如果G<0,则铺展过程能发生；如果G0，则铺展过程不能发生。11. langmuir吸附方程此式称作Langmuir吸附方程，它适用于气体在固体表面上的单分子层吸附。式中代表固体的表面覆盖率；P为吸附平衡

47、时气体的压力；b是吸附系数，对给定的吸附剂和吸附质它只与温度有关。若把吸附视为化学反应，则b相当于反应的平衡常数(故有人称之为吸附平衡常数)，是吸附平衡位置的标志，也就是固体表面对气体的吸附程度的标志。上述方程可写作：其中和max分别是吸附量和最大吸附量（饱和吸附量）。在气固吸附实验中，人们常用气体在标准状况下的体积描述吸附情况，此方程写作：其中V和Vmax分别为气体的吸附体积和最大吸附体积。为了便于处理数据，上式常表示为如下形式：此时表明，根据实验数据作图p/Vp，可由所得直线的斜率和截距求出b和Vmax。Langmuir方程也常用于固体对溶液中溶质的吸附，在这种情况下，需将式中的p换作溶液

48、浓度。12. BET公式此式称BET公式。其中V为吸附体积，Vmax为单层饱和吸附体积，PV是吸附质在该温度下的饱和蒸气压，C是与吸附过程热效应有关的常数。此公式适用于固体对气体的多分子层吸附和单分子层吸附，压力范围为0.05<P/PV<0.35。为了处理实验数据方便，BET公式常写作如下形式：这意味着将实验数据作P/V(PV-P)P/PV图，成一直线，而且可由直线的斜率和截距求得Vmax，即：人们认为该方法是求Vmax的最可靠方法。13. Freundlich吸附等温式此式称Freundlich吸附等温式，其中是吸附量，P是吸附平衡时气体的压力，k和n均为只与吸附剂和吸附质本身有关的经验常数。此公式广泛应用于求吸附量。它也适用于固体对溶液中溶质的吸附，此时只需将式中的P换成溶液的浓度即可。14. 此式适用于吸附量恒定的情况。其中P和T分别为吸附平衡时的气体压力和温度，m是等量吸附热，单位为J·mol-1。式中的m实际上是微分热。此式表明，在保持