材料表界面_第四章

1、第四章第四章 液液- -固界面固界面一、一、 Young方程和接触角方程和接触角四、黏附功和内聚能四、黏附功和内聚能五、五、Young-Dupre公式公式二、接触角的测定方法二、接触角的测定方法第四章第四章 液液- -固界面固界面三、接触角的滞后现象三、接触角的滞后现象六、润湿过程的三种类型六、润湿过程的三种类型4.1 Young方程和接触角方程和接触角在气、液、固三相交界点，自固在气、液、固三相交界点，自固- -液界面经过液体内液界面经过液体内部到气部到气- -液界面的夹角称为液界面的夹角称为接触角接触角，通常用，通常用q q表示。表示。qcos液气固液固气qcos液气固液固气qcos液气固

2、液固气qcos液气固液固气qcos液气固液固气qcos液气固液固气qcos液气固液固气4.1 Young方程和接触角方程和接触角（1）=0，完全润，完全润湿，液体在固湿，液体在固 体表面铺展。体表面铺展。（2）090， 液体可润湿固体，液体可润湿固体，且且越小，润湿越好。越小，润湿越好。（3）90180 液体不润湿固体。液体不润湿固体。（4）=180，完全不润湿，液体在固体表面凝成小球。，完全不润湿，液体在固体表面凝成小球。qcos液气固液固气4.1 Young方程和接触角方程和接触角qcos液气固液固气qcos液气固液固气qcos液气固液固气qcos液气固液固气从力学观点推导从力学观点推导Y

3、oung方程方程4.1 Young方程和接触角方程和接触角从能量观点推导从能量观点推导Young方程方程系统自由焓的变化系统自由焓的变化当液体滑动时，应有：当液体滑动时，应有：代入得：代入得：平衡时，平衡时，dG=0,故故固液固液固气固气液气液气dAdAdAdG固液液气固气固液dAdAdAdAqcos固液固液固气液气dAdG)cos(qqcos液气固液固气假定液滴足够小，重力影响可假定液滴足够小，重力影响可以忽略。以忽略。现液体发生一个小的位移，使现液体发生一个小的位移，使各相界面的面积变化分别为：各相界面的面积变化分别为：dA液气液气， dA固气固气， dA固液固液 停滴法停滴法 吊片法吊片

4、法 电子天平法电子天平法4.2 接触角的测定方法接触角的测定方法4.2 接触角的测定方法接触角的测定方法1. 停留法停留法2rh在光滑、均匀、水平的固体表在光滑、均匀、水平的固体表面上放一小液滴，因液滴很小，面上放一小液滴，因液滴很小，重力作用可忽略。重力作用可忽略。将液滴视作球形的一部分，测将液滴视作球形的一部分，测出液滴高度出液滴高度h与底宽与底宽2r。由简单。由简单的几何分析可求出的几何分析可求出。22222hrsin = h2hrtan = rrhqq1. 停留法停留法4.2 接触角的测定方法接触角的测定方法仪器结构主要由光源、工作台、底座、放大镜、滴液器仪器结构主要由光源、工作台、底

5、座、放大镜、滴液器等部分组成等部分组成。4.2 接触角的测定方法接触角的测定方法2. 吊片法吊片法将表面光滑、均匀的固体薄片垂直插入液将表面光滑、均匀的固体薄片垂直插入液体中，如果液体能够润湿此固体，则将沿体中，如果液体能够润湿此固体，则将沿薄片平面上升。升高值薄片平面上升。升高值h与接触角与接触角q q之间的之间的关系为：关系为： sinq q = 1 ( gh22 LG) 在已知在已知 LG的条件下，不难由上式求出的条件下，不难由上式求出q q。 若液面上升高度为若液面上升高度为h h，由，由laplace方程方程)11(21RRgy由于：由于：2R所以：所以：/)1 (2/321yyR且

6、：且：2/1)2(ga有：有：2/322)1 (2yyay附：吊片法推导公式附：吊片法推导公式令： yp 则dydppy 2/322)1/(2pdydppay定积分：dpppdyaytgh2/32)90(020)1/(2q得：qsin122ah或：q21)(1sin22ghah4.2 接触角的测定方法接触角的测定方法3. 电子天平法电子天平法 设一根纤维浸在某液体中，纤维的另一端挂在电子天平的测量臂上。用设一根纤维浸在某液体中，纤维的另一端挂在电子天平的测量臂上。用升降装置使液面逐渐下降。纤维经升降装置使液面逐渐下降。纤维经(b)状态脱离液面，在纤维脱离液面的状态脱离液面，在纤维脱离液面的瞬间

7、，电子天平测出该变化过程中力的变化瞬间，电子天平测出该变化过程中力的变化 P，由记录仪记下如右图的，由记录仪记下如右图的曲线。曲线。 如果液体完全润湿纤维，则如果液体完全润湿纤维，则 P = 2 r L 式中式中r为纤维半径。为纤维半径。若选用半径已知金属纤维，使液体能够完全润湿纤维，则测出若选用半径已知金属纤维，使液体能够完全润湿纤维，则测出 P，即可求出液体的表面张力，即可求出液体的表面张力 L。 如果液体与纤维之间的接触角为如果液体与纤维之间的接触角为q q，则有，则有 P = 2 r Lcosq q 若纤维的半径若纤维的半径r和液体表面张力和液体表面张力 L已知，则用电子天平法测出已知

8、，则用电子天平法测出 P后，即可求出接触角后，即可求出接触角q q。4.2 接触角的测定方法接触角的测定方法3. 电子天平法电子天平法4.2 接触角的测定方法接触角的测定方法3. 电子天平法电子天平法应用电子天平方法还可测定应用电子天平方法还可测定两种互不相溶液体两种互不相溶液体之间的界面张力和界面接触角。之间的界面张力和界面接触角。如图所示，如图所示，L1和和L2为互不相溶两种液体。纤维为互不相溶两种液体。纤维S插入通过插入通过L1，L2的界面，当升降装置下降，在纤维离开的界面，当升降装置下降，在纤维离开L1L2界面的瞬间，界面的瞬间，电子天平测出该过程的力变并记录下来。在测试中若纤维用电子

9、天平测出该过程的力变并记录下来。在测试中若纤维用铂金丝，以保证被液体完全润湿，则：铂金丝，以保证被液体完全润湿，则： P = 2 r L1/L2 测定测定 P可求出两种互不相溶液体的界面张力可求出两种互不相溶液体的界面张力 L1/L2。 若界面张力若界面张力 L1/L2已知，液体与纤维之间存在接触角已知，液体与纤维之间存在接触角q qL1/L2，则：，则： P = 2 r L1/L2 cosq qL1/L2 因此，测定因此，测定 P可求出纤维在可求出纤维在L1L2界面的接触角界面的接触角q qL1/L2。 4.2 接触角的测定方法接触角的测定方法3. 电子天平法电子天平法另一种电子天平法使用一

10、束纤维，而不是一根纤维，如左图所示。在塑料管中充另一种电子天平法使用一束纤维，而不是一根纤维，如左图所示。在塑料管中充填一束纤维，充填率填一束纤维，充填率 =0.47 0.53。使纤维束与液面接触，因毛细现象，液体沿着。使纤维束与液面接触，因毛细现象，液体沿着纤维间空隙上升，用电子天平测出增重量纤维间空隙上升，用电子天平测出增重量m随浸润时间变化，可得如下曲线。随浸润时间变化，可得如下曲线。 通过流体力学分析，可推导得出如下公式：通过流体力学分析，可推导得出如下公式： m2 = (W12 1 cosq qH2 WfAP 1) t 式中：式中：m为在润湿时刻为在润湿时刻t时的增重量，由实验记录；

11、时的增重量，由实验记录； W1为平衡时的总为平衡时的总增重量，由实验测定；增重量，由实验测定； H为纤维的充填高度，可量取；为纤维的充填高度，可量取； 为浸润液粘为浸润液粘度，可查取；度，可查取； Wf为纤维的充填质量，可称取；为纤维的充填质量，可称取； AP为纤维的比表面积，为纤维的比表面积，可查取或测定；可查取或测定； 1为液体的密度，可查取或测定；为液体的密度，可查取或测定； 1为液体的表面张为液体的表面张力，可测定或查取。力，可测定或查取。4.2 接触角的测定方法接触角的测定方法3. 电子天平法电子天平法按上式，以按上式，以m2-t 作图，可得直线。该直线的斜率即为式中作图，可得直线。

12、该直线的斜率即为式中t的系数。由的系数。由斜率即可求出接触角斜率即可求出接触角q q。 停滴法停滴法 吊片法吊片法 电子天平法电子天平法4.2 接触角的测定方法接触角的测定方法决定和影响接触角大小的因素决定和影响接触角大小的因素1.1.物质的本性物质的本性(1)(1)液体与固体表面性质差别越大接触角越大。液体与固体表面性质差别越大接触角越大。(2)(2)在同一固体上液体的表面张力越大，接触角越大。在同一固体上液体的表面张力越大，接触角越大。2. 接触角的滞后现象接触角的滞后现象（1 1）表面粗糙性）表面粗糙性（2 2）表面不均匀性）表面不均匀性（3 3）表面污染）表面污染qcos液气固液固气4

13、.3 接触角的滞后现象接触角的滞后现象4.3.1 前进角和后退角前进角和后退角前进角前进角a最大前进角最大前进角a,max后退角后退角r最小后退角最小后退角r,min在理想光滑、组成均匀的表面上的平衡在理想光滑、组成均匀的表面上的平衡接触角就是接触角就是Young氏角。许多实际表面都氏角。许多实际表面都是粗糙的或是不均匀的，液滴可以处在是粗糙的或是不均匀的，液滴可以处在稳定平衡态（即最低能量态），也可处稳定平衡态（即最低能量态），也可处于亚稳平衡态，即出现接触角的滞后现于亚稳平衡态，即出现接触角的滞后现象。象。 接触角滞后的原因是由于液滴的前沿存在着能垒。接触角滞后的原因是由于液滴的前沿存在着

14、能垒。4.3 接触角的滞后现象接触角的滞后现象引起接触角滞后的原因：引起接触角滞后的原因： 固体表面的粗糙度 固体表面的不均匀性和多相性 固体表面的污染/ AAr SLcos0 LGWSGrdSdSrdSq4.3.2 由于表面粗糙引起的滞后由于表面粗糙引起的滞后A A：真正表面积；：真正表面积；A A：表观表面积：表观表面积当液滴向前推进时，固液界面的真正面积增当液滴向前推进时，固液界面的真正面积增加加rdSrdS，固气界面的真正面积相应减少，固气界面的真正面积相应减少rdSrdS，液气界面的真正面积增加液气界面的真正面积增加dScosdScosw w。W()coscos (5-22)SGSL

15、yLGrrqq式中式中y为为Young接触角，上式叫做接触角，上式叫做Wentzel方程。它表明粗糙表面方程。它表明粗糙表面的的cosw的绝对值总比平滑表面的的绝对值总比平滑表面的cosy大。大。如图所示，在平衡状态下有：如图所示，在平衡状态下有：4.3 接触角的滞后现象接触角的滞后现象（1）当）当y90时，表面粗糙化将使接触角变大。润湿性更时，表面粗糙化将使接触角变大。润湿性更差。差。（3）可见，接触角越小，表面粗糙度的影响越大，要得到）可见，接触角越小，表面粗糙度的影响越大，要得到准确的接触角，特别注意表面要光滑。准确的接触角，特别注意表面要光滑。W()coscos (5-22)SGSLy

16、LGrrqq4.3.3 由于表面不均匀性和多相性引起的滞后由于表面不均匀性和多相性引起的滞后4.3 接触角的滞后现象接触角的滞后现象 在相的交界处存在着能垒，液体的前沿往往停留在相的交在相的交界处存在着能垒，液体的前沿往往停留在相的交界处。前进角往往反映表面能较低的区域，或反映与液体亲和界处。前进角往往反映表面能较低的区域，或反映与液体亲和力弱的那部分固体表面的性质，而后退角往往反映表面能较高力弱的那部分固体表面的性质，而后退角往往反映表面能较高的区域，或反映与液体亲和力强的那部分固体表面的性质。的区域，或反映与液体亲和力强的那部分固体表面的性质。l 无论是液体或是固体的表面，在污染后都会引起

17、滞后现无论是液体或是固体的表面，在污染后都会引起滞后现象。象。 l 表面污染往往来自液体和固体表面的吸附作用，从而使表面污染往往来自液体和固体表面的吸附作用，从而使接触角发生显著变化。接触角发生显著变化。 l 影响接触角的因素十分复杂，所以在测定时，要尽可能影响接触角的因素十分复杂，所以在测定时，要尽可能控制测定环境的温度、湿度、液体的蒸气压、固体表面的控制测定环境的温度、湿度、液体的蒸气压、固体表面的清洁度和粗糙度等因素。清洁度和粗糙度等因素。 4.3.4 表面污染表面污染4.3 接触角的滞后现象接触角的滞后现象决定和影响接触角大小的因素决定和影响接触角大小的因素 接触角的滞后现象接触角的滞

18、后现象（1 1）表面粗糙性）表面粗糙性（2 2）表面不均匀性）表面不均匀性（3 3）表面污染）表面污染一、一、 Young方程和接触角方程和接触角四、黏附功和内聚能四、黏附功和内聚能五、五、Young-Dupre公式公式二、接触角的测定方法二、接触角的测定方法三、接触角的滞后现象三、接触角的滞后现象六、润湿过程的三种类型六、润湿过程的三种类型你有试过晾晒自己的心情么？你有试过晾晒自己的心情么？这么好的阳光，这么好的天气，这么好的阳光，这么好的天气，如果有很多不开心的事情，如果有很多不开心的事情，让阳光晒凉一下你的心情让阳光晒凉一下你的心情经常都在说：生活也许不能每天经常都在说：生活也许不能每天

19、都阳光灿烂，都阳光灿烂，但是我们可以每天给生活一个微但是我们可以每天给生活一个微笑，给自己一缕阳光，笑，给自己一缕阳光，试试看，这样你的心情会好的。试试看，这样你的心情会好的。 4.4 黏附功黏附功和内聚能和内聚能液液固固拉开拉开黏附黏附液固，液液固固液2cWW在等温等压条件下，在等温等压条件下，单位面积的液面与固体表面粘附时对外所作的单位面积的液面与固体表面粘附时对外所作的最大功称为最大功称为粘附功，粘附功，它是液体能否润湿固体的一种量度。粘附功越它是液体能否润湿固体的一种量度。粘附功越大，液体越能润湿固体，液大，液体越能润湿固体，液- -固结合得越牢。固结合得越牢。 在粘附过程中，消失了单

20、位液体表面和固体表面，产生了单位液在粘附过程中，消失了单位液体表面和固体表面，产生了单位液- -固界面。固界面。粘附功粘附功就等于这个过程表面吉布斯自由能变化值的负值。就等于这个过程表面吉布斯自由能变化值的负值。液液拉开拉开结合结合液固，液液固固液2cWW4.4 黏附功和黏附功和内聚能内聚能等温、等压条件下，两个单位液面可逆聚合为液柱所作的最大功称等温、等压条件下，两个单位液面可逆聚合为液柱所作的最大功称为为内聚能内聚能，是液体本身结合牢固程度的一种量度。，是液体本身结合牢固程度的一种量度。 内聚时两个单位液面消失，所以，内聚时两个单位液面消失，所以，内聚功内聚功在数值上等于该变化过在数值上等

21、于该变化过程表面自由能变化值的负值。程表面自由能变化值的负值。对固液界面，粘附功：对固液界面，粘附功： 考虑到与气相平衡考虑到与气相平衡 Young方程：方程：液固，液液固固液2cWW液固，液液气固气固液2cWWqcos液气固液固气W固液固液= 液气液气 (1 +cos)4.5 Young-Dupre公式公式4.5 Young-Dupre公式公式W固液固液= 液气液气 (1 +cos)(1) 上式如果上式如果=0，则，则: 也即粘附功等于液体的内聚功，固也即粘附功等于液体的内聚功，固-液分子间的吸引力等于液液分子间的吸引力等于液体分子与液体分子的吸引力，因此固体被液体完全润湿。体分子与液体分子

22、的吸引力，因此固体被液体完全润湿。cWW液气固液2(2) 如果如果=180，则：，则： 液液-固分子之间没有吸引力，分开固固分子之间没有吸引力，分开固-液界面不需做功。此时液界面不需做功。此时固体完全不为液体润湿。固体完全不为液体润湿。0固液W(3) 当当0A0，即凡能铺展的必定能，即凡能铺展的必定能粘附润湿与浸湿，铺展湿润是程度最高的一种润湿。粘附润湿与浸湿，铺展湿润是程度最高的一种润湿。4.6.4 湿润过程的比较湿润过程的比较4.6 润湿过程的三种类型润湿过程的三种类型 上式中都涉及粘附张力上式中都涉及粘附张力 A=SG-SL.。显然，。显然，SG越大，越大，SL越小，越小， （SG-SL

23、）差值就越大，越有利于润湿。）差值就越大，越有利于润湿。 对粘附润湿，增大对粘附润湿，增大LG有利，对于浸湿，有利，对于浸湿， LG的大小不起作用。的大小不起作用。对铺展润湿来说，减少对铺展润湿来说，减少LG是有利的。是有利的。 黏附润湿： Wa = 固气- 固液 + 液气 浸湿： A = 固气- 固液 铺展润湿： Sl/s = 固气- 固液 - 液气借助借助Young方程，将方程，将SG=SL+LGcos, 代入可得：代入可得：L /S(1co s)co sS(co s1)aL GL GL GWAqqq 黏附润湿： Wa = 固气- 固液 + 液气 浸湿： A = 固气- 固液 铺展润湿：

24、Sl/s = 固气- 固液 - 液气4.6.4 湿润过程的比较湿润过程的比较4.6 润湿过程的三种类型润湿过程的三种类型L /S(1co s)co sS(co s1)aL GL GL GWAqqq4.6.4 湿润过程的比较湿润过程的比较类类 型型 能量判据式能量判据式 接触角判据接触角判据 粘附润湿粘附润湿 Wa =LG（cos+1）0 180浸浸 湿湿 A = LGcos0 90 铺展润湿铺展润湿 SL/S = LG（cos-1）0 =0或不存在或不存在 4.6 润湿过程的三种类型润湿过程的三种类型习惯上规定习惯上规定=90为润为润 湿与否的标准，即湿与否的标准，即90为不为不润湿，润湿， 90为不为不润湿，润湿， 90为润湿，为润湿，越小润湿越好。当平衡接触越小润湿越好。当平衡接触角角=0或不存在时为铺展。或不存在时为铺展。解：解：ogllsgs151875. 088. 077. 10 . 1coscosqqq液气