材料表界面第四章精选文档.ppt

材料表界面第四章本讲稿第一页，共五十八页本讲稿第二页，共五十八页一、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本讲稿第三页，共五十八页4.1Young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-液界面经过液体内部到液界面经过液体内部到气气-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 表示。表示。本讲稿第四页，共五十八页4.1Young方程和接触角方程和接触角（1）=0，完全润湿，完全润湿，液体在固液体在固体表面铺展。体表面铺展。（2）090，液液体可润湿固体，且体可润湿固体，且越越小，润湿越好。小，润湿越好。（3）90180液体液体不润湿固体。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。本讲稿第五页，共五十八页4.1Young方程和接触角方程和接触角从力学观点推导从力学观点推导Young方程方程本讲稿第六页，共五十八页4.1Young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,故故假定液滴足够小，重力影响可以忽假定液滴足够小，重力影响可以忽略。略。现液体发生一个小的位移，使各相界现液体发生一个小的位移，使各相界面的面积变化分别为：面的面积变化分别为：dA液气液气，dA固气固气，dA固液固液本讲稿第七页，共五十八页本讲稿第八页，共五十八页本讲稿第九页，共五十八页本讲稿第十页，共五十八页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本讲稿第十一页，共五十八页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在在光光滑滑、均均匀匀、水水平平的的固固体体表表面面上上放放一一小小液液滴滴，因因液液滴滴很很小小，重重力力作作用可忽略。用可忽略。将将液液滴滴视视作作球球形形的的一一部部分分，测测出出液液滴滴高高度度h与与底底宽宽2r。由由简简单单的的几几何分析可求出何分析可求出。本讲稿第十二页，共五十八页1.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、滴液器等部分组仪器结构主要由光源、工作台、底座、放大镜、滴液器等部分组成成。本讲稿第十三页，共五十八页4.2接触角的测定方法接触角的测定方法2.吊片法吊片法将将表表面面光光滑滑、均均匀匀的的固固体体薄薄片片垂垂直直插插入入液液体体中中，如如果果液液体体能能够够润润湿湿此此固固体体，则则将将沿沿薄薄片片平平面面上上升。升高值升。升高值h与接触角与接触角 之间的关系为：之间的关系为：sin=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。本讲稿第十四页，共五十八页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设设一一根根纤纤维维浸浸在在某某液液体体中中，纤纤维维的的另另一一端端挂挂在在电电子子天天平平的的测测量量臂臂上上。用用升升降降装装置置使使液液面面逐逐渐渐下下降降。纤纤维维经经(b)状状态态脱脱离离液液面面，在在纤纤维维脱脱离离液液面面的的瞬瞬间间，电电子子天天平平测测出出该该变变化过程中力的变化化过程中力的变化 P，由记录仪记下如右图的曲线。，由记录仪记下如右图的曲线。本讲稿第十七页，共五十八页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。若选用为纤维半径。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，即可求出液体的表面张力体的表面张力 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，则有，则有 P=2 r Lcos 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，则用电子天平法测出 P后，后，即可求出接触角即可求出接触角。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本讲稿第十八页，共五十八页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。如如图图所所示示，L1和和L2为为互互不不相相溶溶两两种种液液体体。纤纤维维S插插入入通通过过L1，L2的的界界面面，当当升升降降装装置置下下降降，在在纤纤维维离离开开L1L2界界面面的的瞬瞬间间，电电子子天天平平测测出出该该过过程程的的力力变变并并记记录录下下来来。在在测测试试中中若若纤纤维维用用铂铂金金丝丝，以以保保证证被被液液体体完完全全润润湿湿，则则：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 L1/L2，则：，则：P=2 r L1/L2cos L1/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 L1/L2。本讲稿第十九页，共五十八页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本讲稿第二十二页，共五十八页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）表面污染本讲稿第二十三页，共五十八页4.3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接触在理想光滑、组成均匀的表面上的平衡接触角就是角就是Young氏角。许多实际表面都是粗糙的氏角。许多实际表面都是粗糙的或是不均匀的，液滴可以处在稳定平衡态（即或是不均匀的，液滴可以处在稳定平衡态（即最低能量态），也可处于亚稳平衡态，即出现最低能量态），也可处于亚稳平衡态，即出现接触角的滞后现象。接触角的滞后现象。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能垒。本讲稿第二十四页，共五十八页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本讲稿第二十五页，共五十八页4.3.2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加当液滴向前推进时，固液界面的真正面积增加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，液气界面的真正面积增加面的真正面积增加dScosdScosw w。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。它表明粗糙表面的方程。它表明粗糙表面的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本讲稿第二十六页，共五十八页（1）当）当y90时，表面粗糙化将使接触角变大。润湿性更差。时，表面粗糙化将使接触角变大。润湿性更差。（3）可见，接触角越小，表面粗糙度的影响越大，要得到准确的接）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。触角，特别注意表面要光滑。本讲稿第二十七页，共五十八页4.3.3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界处。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，或反映与液体亲和力弱的那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的区域，或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。反映与液体亲和力强的那部分固体表面的性质。本讲稿第二十八页，共五十八页l 无论是液体或是固体的表面，在污染后都会引起滞后现象。无论是液体或是固体的表面，在污染后都会引起滞后现象。l 表面污染往往来自液体和固体表面的吸附作用，从而使接触角发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。生显著变化。l 影响接触角的因素十分复杂，所以在测定时，要尽可能控制测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、固体表面的清洁度和粗糙定环境的温度、湿度、液体的蒸气压、固体表面的清洁度和粗糙度等因素。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本讲稿第二十九页，共五十八页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）表面污染本讲稿第三十页，共五十八页一、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本讲稿第三十一页，共五十八页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，如果这么好的阳光，这么好的天气，如果有很多不开心的事情，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：生活也许不能每天都经常都在说：生活也许不能每天都阳光灿烂，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。本讲稿第三十二页，共五十八页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最大功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。粘附功越大，液体越能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。粘粘附功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。本讲稿第三十三页，共五十八页液液拉开拉开结合结合4.4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为等温、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程表面自在数值上等于该变化过程表面自由能变化值的负值。由能变化值的负值。本讲稿第三十四页，共五十八页对固液界面，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：W固液固液=液气液气(1+cos)4.5Young-Dupre公式公式本讲稿第三十五页，共五十八页4.5Young-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。体分子与液体分子的吸引力，因此固体被液体完全润湿。(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。(3)当当0A0，即凡能铺展的必定能粘附，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。润湿与浸湿，铺展湿润是程度最高的一种润湿。本讲稿第四十七页，共五十八页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）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。对的大小不起作用。对铺展润湿来说，减少铺展润湿来说，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-液气本讲稿第四十八页，共五十八页借助借助Young方程，将方程，将SG=SL+LGcos,代入可得：代入可得：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本讲稿第四十九页，共五十八页4.6.4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）0180浸浸湿湿A=LGcos090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本讲稿第五十页，共五十八页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为不润湿，为不润湿，90为不润湿，为不润湿，90为润湿，为润湿，越小润湿越好。当平衡接触角越小润湿越好。当平衡接触角=0或不存在或不存在时为铺展。时为铺展。解：解：不能润湿不能润湿本讲稿第五十五页，共五十八页例：例：一滴油酸在一滴油酸在20oC时，落在洁净水面上，已知：时，落在洁净水面上，已知：水水=7310-3Nm-1，油酸油酸=3210-3Nm-1；油酸油酸,水水=1210-3Nm-1，油酸与水相互饱，油酸与水相互饱和后，和后，油酸油酸=油酸油酸，水水=4010-3Nm-1据此判断：据此判断：油酸在水面上开始与终了的形状。油酸在水面上开始与终了的形状。水滴在油酸表面上的形状又如何？水滴在油酸表面上的形状又如何？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-液气本讲稿第五十六页，共五十八页解解:S油酸油酸,水水=水水-油酸油酸-油酸油酸,水水=2910-3Nm-1S油酸油酸,水水=水水-油酸油酸-油酸油酸,水水=-410-3Nm-1开始时油酸在水面上铺展成膜，终了时油酸缩回成椭球状。开始时油酸在水面上铺展成膜，终了时油酸缩回成椭球状。解解:S水水,油酸油酸=油酸油酸-水水-油酸油酸,水水=-5310-3Nm-1S水水,油酸油酸=油酸油酸-水水-油酸油酸,水水=-2010-3Nm-1水在油酸中始终成椭球状，不能铺展。水在油酸中始终成椭球状，不能铺展。本讲稿第五十七页，共五十八页本章小结本章小结重点掌握：重点掌握：(1)Young方程方程(2)润湿过程的三种类型：润湿过程的三种类型：黏附润湿：黏附润湿：Wa =固气固气-固液固液+液气液气浸湿：浸湿：A =固气固气-固液固液铺展润湿：铺展润湿：Sl/s =固气固气-固液固液-液气液气理解理解:（1）黏附功和内聚能）黏附功和内聚能 （2）Young-Dupre公式公式了解了解:接触角的测定方法和滞后现象接触角的测定方法和滞后现象本讲稿第五十八页，共五十八页