液体在固体表面的润湿作用

关于液体在固体表面的润湿作用第1页，共42页，编辑于2022年，星期一1.重点·基本概念—润湿作用、沾湿、浸湿、铺展、接触角等。·基本理论—不同润湿程度能量的变化情况；润湿方程及其应用；润湿程度的定性、定量判据。·润湿作用应用—应用润湿作用分析、解决各行业中的实际问题。2.难点·对基本概念的理解（图示法进行理解）。·把基本理论应用于分析、解决实际问题。第2页，共42页，编辑于2022年，星期一Chapter

Two

液体在固体表面的润湿作用实验现象前

言第3页，共42页，编辑于2022年，星期一选选岩岩石石裂裂缝缝水水驱驱油油过过程程农农业业、、植植被被除除虫虫现现象象矿矿

水水润润湿湿砂砂岩岩

施施药药过过程程油油润润湿湿砂砂岩岩洗涤过程第4页，共42页，编辑于2022年，星期一①实验现象②农业、植被应用③工业应用液体在固体表面产生的一种现象→特殊的界面现象共同点重要性润湿现象是普遍而重要的。没有润湿作用，人类难以生存和发展。什么是润湿？怎样判断？液体与固体界面接触后会显示什么样的物理化学特征？怎样应用润湿相关知识进行分析、解决实际问题?怎样改变固体界面的润湿特性？第5页，共42页，编辑于2022年，星期一Section

one润湿作用界面现象角度界面上的一种流体被另一种与之不相混溶流体取代的过程。即固体表面上所吸附气体被液体取代的现象。热力学角度固体与液体接触以后，体系的ΔG下降，则称固体被液体润湿。ΔG可以作为润湿的判断依据沾湿浸湿分类铺展定义第6页，共42页，编辑于2022年，星期一1.润湿的定义及分类2.沾湿A1A2A3①沾湿示意图②体系的ΔG界面变化前G?l-g界面G1=γl-gA1s-g界面G2=γs-gA2s-l界面G3=γs-l

A3界面变化后G?第7页，共42页，编辑于2022年，星期一若体系中界面为一个单位面积，在恒T、恒p下：ΔG=G3-（G1+G2）=

γs-l

A3-（γl-gA1+γs-gA2

）沾湿过程体系ΔG第8页，共42页，编辑于2022年，星期一ΔG=

Wa③粘附功（Wa）在沾湿过程中，恒T、恒p下，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粘附功。即体系的ΔG发生了变化，变化的能量用来对外做功，称之为粘附功。是液体能否沾湿固体的一种量度。粘附功越大，液体越能沾湿固体，液-固结合越牢。Wa

=

（γl-g+

γs-g）-

γs-l第9页，共42页，编辑于2022年，星期一γl-g越大，γs-l越小，则Wa越大，越有利于液体沾湿固体。若Wa≥0，ΔG必为负值，沾湿过程将自

发进行。通常情况下s-l界面的自由能总小于s-g和l-g界面自由能，因而黏附功总大于零，沾湿过程总是能够自发进行的。WC=

2γl-g由Wa

=（γl-g+γs-g）-γs-l推导④粘附功讨论若界面为两个相同l-g界面，转变为一个液体柱，此时，变化后的界面不存在（γs-l=0），但同样存在能量的变化——称之为内聚功（

WC

）Wa≥0可以作为液体沾湿固体判定条件Wa

=

（γl-g+

γs-g）-

γs-l第10页，共42页，编辑于2022年，星期一2.浸湿①浸湿过程示意图浸湿将s-g界面转变为s-l界面的过程。而液体表面在此过程中没有变化。第11页，共42页，编辑于2022年，星期一恒T、恒p下，设浸湿面积为一个单位表面积。

变化前：s-g界面

G1=γs-g；l-g界面G2=γl-g；变化后：

s-l界面

G3=γs-l

；

l-g界面G4=γl-g；变化前后的ΔG=(G3+G4)

-（G1+G2）=

γs-l

-

γs-g②浸湿过程体系中ΔG③浸湿功WiΔG=

γs-l

—γs-gWi

=

γs-g-

γs-lWi

=

-ΔG定义可知G2=G4第12页，共42页，编辑于2022年，星期一④浸湿功Wi讨论Wi≥0是液体浸湿固体判定条件。黏附张力A：表示液体表面收缩而产生的浸湿能力。Wi=A=γs-g-γs-lγs-g越大，γs-l越小，则Wi越大，越有利于浸湿进行。若Wi≥0，ΔG≤0，浸湿过程可自发进行。大多数无机固体和金属的γs-g比γs-l大,因此浸湿过程常可以自发进行。Wi

=

γs-g-

γs-l第13页，共42页，编辑于2022年，星期一3.铺展①铺展过程示意图铺展是l-s界面取代g-s的同时，

g-l也扩大了同样面积。即当液体与固体表面接触后，液体自动在固体表面展开，排挤掉原有的另一种流体，铺展过程中

g-s界面消失的面积与l-s界面增加的面积相等，同时形成等量的g-l界面。L第14页，共42页，编辑于2022年，星期一gs②铺展过程体系中自由能变化（铺展系数S）体系只有一个表面，恒T、恒p时，铺展表面为一个单位面积，体系吉布斯自由能的降低或对外所作的功S，其推导如前：由上式可知，当S≥0时，液体可以自发在固体表面上铺展△G=-SS=γs-g-γs-l-γl-g△G=γl-g

+γs-l-γs-g第15页，共42页，编辑于2022年，星期一S=γs-g-

γl-g-

γs-lA=Wi

=γs-g-

γs-lWa

=（γl-g+

γs-g）-

γs-l结论：①由黏附功、浸湿功和铺展系数表达式分析可知对于同一体系，Wa

＞Wi

＞S；因此若S≥0，则一定有Wa

＞0，Wi

＞0，说明铺展是湿润的最高条件。即液体在固体表面铺展，也一定能沾湿固体和浸湿固体表面。②利用黏附功、浸湿功和铺展系数可以判断液体在固体表面是否润湿，其中只有γl-g数据可以通过实验测定，而γs-g和γs-l则难以测定，因此Wa

、Wi

、S无法准

确计算4.润湿作用总结第16页，共42页，编辑于2022年，星期一多多数数情情况况下下，，将将一一液液体体置置于于固固体体表表面面上上，，液液体体不不会会完完全全展展开开而而是是与与固固体体表表面面成成一一角角度度θ，，如如图图所所示示。。Section

two第17页，共42页，编辑于2022年，星期一Contact

angle

and

Wetting

equationθ角怎样定义？与表面张力γ有何关系？与润湿的三种情况有何关系？怎样运用θ进行润湿情况判断？gls1.接触角（θ）定义接触角指液体滴在固体表面上，在平衡液滴的s-l-g三相交界点处作g-l界面的切线，此切线与固液交界线之间的夹角，用θ表示。定义第18页，共42页，编辑于2022年，星期一2.润湿方程—Young方程γs-g=

γs-l+γl-g

cosθYoung方程gls如图所示：根据表面自由能或表面张力的性质，可以用力学平衡原理得到平衡接触角θ与s-g、s-l、l-g界面自由能γs-g

、γs-l、γl-g之间有如下关系。①润湿方程的推导Young方程与Wa、Wi、S的

表达式结合起来，就得到如下的等式：第19页，共42页，编辑于2022年，星期一Wi

=γl-g

cosθWa

=γl-g（1+cosθ

）②θ与黏附功、浸湿功和铺展系数的关系S=γl-g（cosθ-1）（1）润湿的三种能量变化物理量只与γl-g和θ有关，而与其它界面能没有关系，γl-g易于测定,θ也可以通过仪器测定，因此，Wa

、Wi、S是可以进行准确计算，从而判断其变化趋势，以此准确判断能否润湿及润湿情况。（2）利用接触角θ也可以判断润湿情况。第20页，共42页，编辑于2022年，星期一润湿判据a

l-gW

=γ

（1+cosθ）≥0θ≤1800沾湿浸湿铺展Wi

=γl-g

cosθ

≥0θ≤900l-gS=γ

（cosθ-1）

≥0θ=00在实际过程中，通常将θ作为判据，θ＞900为不润湿，θ

＜900为润湿，θ=00或不存在，铺展。θ越小，润湿性能越好。θ判据流体在固体表面上的接触角在0°~180°范围3.液体在固体表面润湿判据第21页，共42页，编辑于2022年，星期一4.气体在固体表面润湿规律液体与固体的接触角可以看成为液体和空气对固体表面的竞争结果。用滴管将气体送入浸在液体中的固体表面下面，其结果如图所示。若固体是亲液的，则液体的接触角θ

＜900；当然也可以将其补角θ‵作为气泡的接触角，此时θ‵＞900

。若固体是憎液的θ＞900，气泡接触角θ‵＜90。由此可以有如下规律(rule)①气体对固体的“润湿性”与液体对固体的润湿性恰好相反；②固体越憎液，就越容易被气体“润湿”，越容易附着在气泡上；③固体越是亲液，就越容易被液体润湿，越难附着在气泡上。第22页，共42页，编辑于2022年，星期一Section

three固体表面的润湿性质从Young方程从而可以分析看出，表面能高的固体表面更加容易被液体所润湿。高能固体表面低能固体表面γs-g越大表示固体表面能越高，使cosθ越大，从而θ越小。按照判据可知越容易被液体润湿。第23页，共42页，编辑于2022年，星期一1.高能表面与自憎s指γ>100mN/m的物质。如金属及其氧化物，硫化物、无机盐等。定义原因：由于有机液体被吸附到高能表面固体上，形成一种碳氢基朝向空气的定向排列的吸附膜，从而使原来高能表面变低能表面，其临界表面张力低于液体的表面张力，以至这种液体在其自身吸附膜上不能铺展。原因指部分液体即使其表面能远低于固体表面也不能润湿固体表面的现象。g自憎决定因素取决于表面外层原子团性质和排列。润湿性：碳氟<碳氢化合物<含杂原子有机物<金属等无机物。低能固体表面：指固体γ<100mN/m的物质。如固体有机物及高聚物表面。第24页，共42页，编辑于2022年，星期一2.固体表面的临界表面张力分析规律①高分子固体的润湿性质与其分子的元素组成有关。在碳氢链中加入其它杂原子，高聚物的润湿性能明显改变。氟原子的加入使润湿性降低，γc变小；而其它原子的加入则使之升高，它们增进润湿性的能力有如下次序②附有表面活性物质分子玻璃或金属的表面显示低能表面的性质，说明决定固体润湿性质的是表面层原子或原子团的性质及排列分部，而与内部结构无关。第25页，共42页，编辑于2022年，星期一③当γc很小时，表现出憎水憎油的双憎性。利用这一特点生产成的材料有非常大的价值。如不沾锅的涂层；采油输油管线的内管涂层，均采用γc很小的高分子材料。目的是使其具有双憎性。第26页，共42页，编辑于2022年，星期一接触角的测定及影响因素Section

four1.接触角测定—角度测量法①观察测量法（通过显微镜观察或摄影做切线后测量其角度）作切线再测量，但切线不容易作准！第27页，共42页，编辑于2022年，星期一②斜板法固体板面与液面夹角和接触角相等不需要作切线，但需要液体量大③光反射法适用于θ=<90°细缝强光照射三相交界处，并转动入射方向，使其反射光刚好沿固体表面出射。第28页，共42页，编辑于2022年，星期一2.接触角测定—长度测量法①小液滴法在水平的固体表面上放一滴被测液体，其高度为h，底宽为2r，如图所示，当液滴很小时(<10-10m3)可近似视为球的一部分，如下

关系。通过r、h测定，便可求出接触角θ。这种方法除液滴很小(消除重力影响)外，还应保持固体表面的清洁光滑。第29页，共42页，编辑于2022年，星期一②平衡液滴法在不断滴加液体，由于重力作用液滴四周摊开，但又由于重力与张力平衡，增加液滴重量，液滴不继续摊开，利用液滴势能与表面能平衡关系测定出θ。第30页，共42页，编辑于2022年，星期一吊片法接触角。要求吊片能被液体很好地润湿。测定时把试样固体做成吊片，插入待测液中，这时作用于固体吊片的液体表面张力(总力)为式中，P为吊片所受之力，L为吊片周长，γ1为液体表面张力，又γ1cosθ为粘附张力3.接触角测定—重量测定法第31页，共42页，编辑于2022年，星期一此法不仅可以测定接触角θ，而且可以直接测定粘附张力影响接触角测定的因素滞后现象表面粗糙度的影响液固移动时阻力的影响表面污染、表面粗糙等第32页，共42页，编辑于2022年，星期一Section

five润湿作用的应用The

application

about

wetting润湿在采油中应用润湿作用在防水材料中的应用润湿作用染色处理见见书书PP2255第33页，共42页，编辑于2022年，星期一在水湿砂岩中水驱油1.润湿在驱油中应用第34页，共42页，编辑于2022年，星期一在油湿砂岩中水驱油第35页，共42页，编辑于2022年，星期一2.（矿物泡沫浮选）气液对固体的不同润湿性广泛用于冶炼、选矿中，有利于有用矿石和无用的矿渣分开矿石表面能否被水润湿？加入收捕剂作用是什么？向水中充气形成起泡作用是什么？为什么矿物会漂浮在表面？第36页，共42页，编辑于2022年，星期一3.在水处理气浮中的应用充气固体悬浮颗粒的气浮去除原理水中有机物气浮去除原理第37页，共42页，编辑于2022年，星期一4.润湿在钢铁防腐中的应用润湿反转效应如图所示：在作业过程中井筒/管线液体循环过程，没有加入缓蚀剂之前，由于液体中存在水、氧等腐蚀介质，在与管线接触过程中，会对管线造成严重腐蚀而出现作业安全隐患。如图所示：当在作业中加入缓蚀剂后，由于缓蚀剂（表面活性剂—双亲分子）有能与金属表面形成强烈吸附作用的基团结构（亲水基团），而使其相互作用；缓蚀剂的另一部分基团结构（疏水基团）则伸向钻井液中，起到阻止液体与管线接触的机会，使得管线与腐蚀介质隔绝而起到防腐作用。新界面膜第38页，共42页，编辑于2022年，星期一在原油中的天然表面活性剂水油注入活性水岩石表面表面活性剂使地层润湿反转油注入水中表面活性剂第39页，共42页，编辑于2022年，星期一5.表面活性剂润湿反转机理润湿三种情况定义及能量变化式沾湿铺展浸湿是l-g界面与s-g界面转变为s-l界面的过程。也即固体