固体表面浸润性基本理论ppt课件

1、浸润性的基本理论,1,水上漂,出淤泥而不染,水滴在蝴蝶翅膀上定向流动,玫瑰花瓣是总是挂 着一串串的“珍珠”,蜻蜓的翅膀总是很干净,2,目 录, outline,接触角与Youngs方程 非理想表面固体的接触角,粗糙表面的浸润性研究 亲水与疏水的新界限,表面自由能的概念，分类， 低能表面与高能表面的润湿性质,3,1.1表面自由能,1.概念 固体的表面自由能（又称表面张力） 越大，越易被一些液体所润湿。 2.分类 以表面张力的大小100mN/m为界，可把固体分为两类： 一是高能表面，易被一些液体润湿，例如常见的金属以及氧化物，硫化物，无机盐等。 另一类是低能表面，它们的润湿性能与液-固两相的表面组

2、成与性质密切相关，例如一般的有机固体以及高聚物。 根据表面自由能的大小，也可分为亲水和疏水两大类,4,1.1低能表面的润湿性质, （临界表面张力） 1.定义 用cos(为液体在高聚物表面上的接触角)，对液体的表面张力作图，对于同系列的液体可得一直下线，将直线延至与cos=1的水平线相交，与此交点相应的表面张力称为该固体的临界表面张力。 2.意义 是反映低能固体表面润湿性能的一个极重要经验常数。只有表面张力等于或小于某一固体的 才能在该固体表面上铺展。固体的 越小，要求能润湿它的液体的表面张力就越低，也就是说该固体越难润湿。 研究表明，高分子碳氢化合物中氢原子被其他元素取代或引入其他元素均可使其

3、润湿性发生变化 几种常见元素增加高分子固体 的顺序是： NOIBrClHF,5,1.2高能表面的润湿性质,理论：按照前面所讲，一般液体似乎能够在干净的金属，金属氧化物和高熔点的无机固体表面上铺展。 实际：但实验发现，如果液体是极性有机物或液体中含有极性有机物，则这些液体不能在高能表面上铺展。 解释：极性有机液体可在高能表面形成以极性基转向高能表面而非极性基露在外面的定向单分子层，这时表面已经转变为低能表面它的润湿性只取决于它的单分子层的润湿性。 如果液体的表面张力比定向单分子层的临界表面张力高，则液体在其自身的单分子层表面上不铺展，称这种液体为自憎液体，反之，可铺展。 总结：高分子固体的 是与

4、其表面的组成有关的。,6,2.1接触角与Youngs方程,2.Youngs方程 = + 式中， ， ， 分别代表固-气，固-液，液-气界面的表面张力；为平衡接触角，或称材料的本征接触角。 该方程是研究液-固润湿作用的基础。一般来讲，接触角的大小是判定润湿性好坏依据 =0， 液体完全润湿固体表面，液体在固体表面铺展; 090， 液体可润湿固体，且越小，润湿性越好; 90180，液体不能润湿固体; =180， 完全不润湿，液体在固体表面凝聚成小球。 条件：这是理想表面的情况，即指固体表面是均匀，平滑，不变形和各向同性的。,1.接触角的定义 设将液体滴在固体表面上，液体并不完全展开而与固体表面成一角

5、度，即所谓的接触角，以表示。接触角的定义是，在固-液-气-三相交点处做气-液界面的切线，此切线与固体交界线之间的夹角就是接触角。,7,2.2非理想固体表面的接触角,1.Wenzel模型 当， 随着表面粗糙度的增加而增加，表现的更疏液 条件：Wenzel方程只适用于热力学平衡稳定状态，但由于表面不均匀，液体在表面上展开式需要克服一系列由于起伏不平而造成的势垒。当液滴震动能小于这种势垒时，液滴不能达到Wenzel方程所要求的平衡状态而可能处于某种亚稳平衡状态。,将一液滴置于一个粗糙表面上，液体在固体表面的真实接触角几乎 是 无法测定的，实验所测得的只是其表观接触角（用 r 表示）表观接触角与界面张

6、力关系是不符合Youngs方程的。但应用热力学是可以导出与Youngs方程类似的关系式。 = 此式就是著名的Wenzel方程，式中r是粗糙度， r 是Wenzel状态下粗糙表面的接触角。 Wenzel方程表明，粗糙表面的存在使得实际上固-液接触面要大于表观几何上观察到的面积，于是在几何上增加了亲水性（或疏水性）。即,8,2.Cassie模型 当固体表面由不同种类的化学物质组成时，则不适用Wenzel方程，此时，Cassie和Baxter进一步拓展了Wenzel的上述处理，提出可以将粗糙不均匀的固体表面设想为一个复合表面。假设固体表面是由两种物质组成，它们的本征接触角分别用 1 和 2 来表示。

7、在单位面积上所占的表面积分数分别为 1 和 2 。 为该表面的本征接触角。得到Cassie-Baxter方程。 = + 此式也适用于具有多孔的物质或粗糙至能截留空气的表面，此时，表面由固体物质及空气组成 ，由于空气对水的接触面 2 =180。因此，上式可变为： cos = 1 cos 1 2 必须指出，上述的这些公式还是经验性和模型化的结果，事实上，固体表面不一定符合公式所描述的情况，因为它与表面的形貌有关。,9,3.1粗糙表面的浸润性研究,1亲水表面（ 90） 在某种程度下，接触角的增加意味着表面自由能的增加。Wenzel方程表明，表面粗糙度能够增强表面的浸润性。因此，在粗糙的基底上，对于亲

8、水性表面，表面的接触角将会随着表面粗糙度的增大而减小。在亲水的粗糙表面上，毛细效应将会发生，导致水被吸入到表面的沟槽之内。这时，表面的表观接触角将由被水浸润的部分（1- ）和保持干燥的部分共同决定，也就是液液界面和固液界面在表面上所占的比例，此时，表观接触角的公式可表示为： = +( ) 此时，定义 = , 称为临界接触角 0 90 。 0 时，液滴充满粗糙结构表面，能够达到接触角临近0的超亲液状态，Wenzel方程适用。 90时，液滴上面的固体依然保持干燥，此时Wenzel方程依然适用。,10,2.疏水表面（ 90） 对于疏水性表面，由于表面粗糙度的影响，将会导致一定的气体捕获，形成一定量的

9、气-液表面，因此表面将是非匀相的，此时，粗糙表面的接触角可用下式表示： =-1+ ( +) 式中， 为固液界面所占的比例，而（1- ）为气液界面所占的比例。 同样的，疏水表面也存在一个临界接触角 ： = 90 ,空气容易被截留于结构中而产生复合接触,Cassie方程适用，系统处于稳定的状态。当气-液界面比例足够大时，可以达到超过150接触角的超疏液状态。 结论: Dettre和Jonson在总结Wenzel和Cassie方程的基础上，通过模拟粗糙表面发现，表面的粗糙度因子存在一个临界值，超出这一临界值，固体表面浸润性会从适用于Wenzel方程变换到适用于Cassie方程。表面粗糙度越大，Cassie和Wenzel之间的能垒越高，Cassie状态越稳定。,11,3.