表面活性剂的润湿功能.pptx

（1）沾湿：液体与固体由不接触到接触，变液气界面和固气界面为固液界面的过程Wa=lg+sg sl=-GWa:粘附功 0 自发第1页/共39页（2）浸湿：固体浸入液体的过程。（洗衣时泡衣服）固气界面为固液界面替代,液体表面并无变化。-G=sg-sl =WiWi:浸润功 0 是浸湿过程能否自动进行的依据第2页/共39页（3）铺展：以固液界面取代固气界面同时，液体表面扩展的过程。铺展系数S=sg-(lg+sl)=-G 0 时液体可以在固体表面上自动展开，连续地从固体表面上取代气体。第3页/共39页又可写成：S=Wi-lg，则：若要铺展系数大于0，则Wi必须大于lg。lg是液体表面张力，表征液体收缩表面的能力。与之相应，Wi则体现了固体与液体间粘附的能力。因此，又称之为黏附张力。用符号A表示。A=Wi=sg sl三种润湿过程自发进行的条件都可用黏附张力来表示。Wa=A+lg 0 Wi=A 0 S=A-lg 0 因此，凡是能够自行铺展的体系，其它润湿过程皆能自发进行。反之则不然。第4页/共39页（1）无论哪一种润湿都是界面现象，其过程实质都是界面性质及界面能量的变化小结：（2）对比三者发生的条件沾湿：Wa=lg+sg-sl0浸湿：sg-sl 0铺展：S=sg-(lg+sl)0（3）固气和固液界面能对体系的三种润湿作用的贡献是一致的。第5页/共39页2 接触角与润湿方程LGSGSL将液体滴于固体表面上，液体或铺展或覆盖于表面，或形成一液滴停于其上，此时在三相交界处，自固液界面经液体内部到气液界面的夹角就叫做接触角。第6页/共39页Yangs 方程：sg-sl lgcos1805年提出，也称为润湿方程。Wa=lg(cos+1)0 180 沾湿A=Wi=lgcos 0 90浸湿S=lg(cos-1)=0=0铺展 习惯上将=90定义润湿与否的标准。90为不润湿，R接触角滞后前进接触角与后退接触角之差称为接触角滞后（A-R）倾斜玻璃上的水滴以微量注射器往液滴中注入或抽出少量液体第14页/共39页a.表面不均匀表面不均匀是造成接触角滞后的一个重要原因。若固体表面由与液体亲合力不同的两部分a、b组成，则液体对复合表面的接触角与对两种纯固体表面成分自身的接触角的关系是：COS=XaCOSa+XbCOSb Xa、Xb指a、b的摩尔分数，a、b指液体在a固体和b固体上的接触角。（2）造成接触角滞后的主要原因造成接触角滞后的主要原因是表面不平和表面不均匀（污染）。Harkins仔细研究了石墨、滑石、硫化锑及石腊等样品，通过精心准备，精心测量，得到结果表明前进角与后退角的差别在实验误差内。结论：前进角和后退角的差异是样品制备不当和测量技术不佳的结果。第15页/共39页实践表明，前进角一般反映与液体亲合力较弱的那部分固体表面的润湿性，因此，A较大（COS小），而后退角反映与液体亲合力较强的那部分固体表面的性质，因此，R较小。对于一些无机固体，由于表面能较高，固而极易吸附一些低表面能的物质而形成复合表面，因此，造成液体对这种复合表面形成的接触角滞后现象，可见，欲准确测定一种固体的接触角，必须保证固体表面不受污染。第16页/共39页b.表面不平表面不平也是造成接触角滞后的主要因素，若将一玻璃粗化后，将一水滴滴在倾斜玻璃上，则出现接触角滞后。值表示表面粗糙的程度值越大，a-R越大，接触角滞后越严重。液体在不同粗糙度的石腊表面上的a-R第17页/共39页Wenzel研究了固体表面粗度对润湿性的影响，他指出，一个给定的几何面经粗化后，必然使表面积增大，若以r表示粗化程度，则r=A（真实）/A（表观）显然，r越大，表面越不平，这时，应用润湿方程时应加以粗化较正，为粗糙表面上的接触角，将上式与无粗化的润湿方程相比可得当90表面粗化将使，当90，表面粗化将使（接触角变大，润湿性变差）。即：对于具有润湿性的体系，表面粗化对体系润湿性起促进作用。而对于不能相互润湿的体系，表面粗化则使体系更不润湿。第18页/共39页4 固体的润湿性质 1)低能表面与高能表面 从 润 湿 方 程 可 以 看 出，当 90，可 润 湿，这 时 ，即要求 ，可见，低表面张力的液体容易润湿高表面能的固体，考虑到 的数值均在100mN/m以下，常以此为界将固体分为两类：第19页/共39页（1）表面张力大于100mN/m者称为高能固体，这些固体易被液体所润湿，如无机固体、金属及其氧化物等。（2）表面张力低于100mN/m者称为低能固体，这类固体不易被液体所润湿，如有机固体、高聚物固体。一般的无机物固体（陶瓷、金属等）的表面能约在5005000mN/m，其数值远远大于一般液体的表面张力，因此，液体与这类固体接触后，使固体表面能显著降低。第20页/共39页2)低能表面的润湿性质 近年来，随着高聚物的广泛应用，低能表面的润湿问题越来越引起人们的重视，如某些高聚物做成的生产用品和生活用品，就要求其能很好地为水所润湿（加入某些无机氧化物可能是有效的办法），塑料电镀、降解等也需要解决润湿问题。第21页/共39页Zisman等人首先发现，同系列液体在同一固体表面的润湿程度随液体表面张力的降低而提高（，cos）S=gl(cos-1)若以cos对gl作图，可得一很好的直线。将直线外推至cos=1处（=0），相应的表面张力将为此固体的润湿临界表面张力，称为c。小于此值的液体方可在该固体上自行铺展，即S=0。若为非同系列液体，以cos对gl作图通常也显示线性关系，将直线外推至cos=1处，亦可得c。如下图。第22页/共39页低能固体表面的润湿性第23页/共39页 c是表征固体表面润湿性的经验参数，对某一固体而言，c越小，说明能在此固体表面上铺展的液体便越少，其可润湿状越差（即表面能较低）。从实验测得各种低能表面的c值，总结出一些经验规律：第24页/共39页固体的润湿性与极性有关，极性化合物的可润湿性明显优于相应的完全非极性的化合物(如纤维素的c=4045，而聚乙烯为31)。高分子固体的可润湿性与其元素组成有关，在碳氢链中氢被其他原子取代后，其润湿性能将明显改变，用氟原子取代使c变小（如聚四氟乙烯为18），且氟原子取代越多，c越小（聚氟乙烯为28）。而用氯原子取代氢原子则使c变大可润湿性提高，如聚氯乙烯的c为39，大于聚乙烯的31。附有两亲分子单层的高能表面显示出低能表面的性质，这说明决定固体表面润湿性能的是其表面层的基团或原子，而与基体性质关系不大。因此，当表面层的基团相同时不管基体是否相同，其c大致相同。第25页/共39页3)高能表面的自憎现象 虽然许多液体可在高能表面上铺展，如煤油等碳氢化合物可在干净的玻璃、钢上铺展，但也有一些低表面张力的液体不能在高能表面上铺展。出现这种现象的原因在于这些有机液体的分子在高能表面上吸附并形成定向排列的吸附膜，被吸附的两亲分子以极性基朝向固体表面，而非极性基朝外排列从而使高能表面的组成和结构发生变化。即从高能表面变成低能表面，当低能表面的c小于液体的lg值时，这些液体便不能在自身的吸附膜上铺展，这种现象叫做自憎现象。可利用自憎现象改变固体表面的润湿性，如常用一些有自憎现象的油作为一些精密机械中轴承的润滑油，因为这样做可以防止油在金属零件上的铺展而形成油污。第26页/共39页4)表面活性剂对润湿性的影响 可利用表面活性剂以改变体系润湿性质，这主要是从改变液体的表面张力入手。通过表面活性剂在界面上的吸附而使液体表面张力下降到能在固体表面上铺展。第27页/共39页5 5 表面活性剂对润湿性的影响表面活性剂对润湿性的影响1)润湿剂从润湿方程看，若液体的表面张力越低，则润湿能力越强，当某液体（如水）的表面张力大于某固体表面的c值时，此液体是无法润湿该固体的，但若加入表面活性剂，使液体的表面张力大大降低，一旦表面张力低于c，则此时液体便能润湿固体，这种表面活性剂一般称为润湿剂。显然，cmc和cmc值最低的表面活性剂应是最有效的表面活性剂。选择合适的润湿剂应注意的事项是：润湿剂在固体表面上吸附时，不应形成憎水基朝外的吸附层由于固体表面通常是带负电的，阳离子型活性剂常形成憎水基朝外的吸附层，因此，不宜采用。第28页/共39页2)固体表面改性剂表面活性剂也可通过物理吸附或化学吸附以改变固体表面的组成和结构，使高能表面变为低能表面，而降低润湿性。产生物理吸附的表面活性剂有：重金属皂类、长链脂肪酸、有机胺盐、有机硅化合物、合氟表面活性剂等，这些表面活性剂一般是在表面形成憎水基朝外的吸附层，而使固体表面能降低。若表面活性剂的亲水基在固体表面产生化学吸附，而使憎水基朝外，则这亦有利于降低固体的表面能而使其润湿性降低，这方面的实例有黄药（黄原酸）在矿物浮选中的应用。黄药与方铅矿表面发生化学作用。这时，矿物表面的外层为碳氢基，其润湿性大大下降，并附着于鼓入的气泡中被浮选到液体表面。第29页/共39页又如用甲基氯硅烷处理玻璃或带有表面羟基的固体表面，甲基氯硅烷与固体表面上的羟基作用，释出氯化氢，形成化学键Si-O键，这使原来亲水的固体表面被甲基所覆盖而具有憎液性强和长期有效的特点，可通过此方法改性玻璃表面从而使其防水（如汽车玻璃，玻璃镜片等）。第30页/共39页再如普通的棉布因纤维中有醇羟基团而呈亲水性，所以很易被水沾湿，不能防雨，若采用季胺盐类活性剂与氟氢化合物混合处理后，表面活性剂的极性基与纤维的醇羟基结合而憎水基朝向空气，从而使棉布表面从润湿变为不润湿，由此方法可做成雨衣或防水布。第31页/共39页以上讨论的是极性固体的表面改性。若为非极性固体表面，若通过表面活性剂的吸附形成亲水基向外的吸附层则可使憎水表面变为亲水表面，即使其润湿性提高，如将聚乙烯，聚四氟乙烯，石蜡等典型的低能固体浸在氢氧化铁或氢氧化锡溶胶中，经过一段时间，水合金属氧化物在低能表面产生较强的吸附，干燥后可使表面润湿性发生永久性的变化，即从憎水变为亲水。第32页/共39页6 6 固体粒子在界面上的位置与浮选固体粒子在界面上的位置与浮选用途：浮游选矿从界面化学角度来看，浮选是涉及多种界面的复杂过程。基本内容包括：在粗矿粉与水的混悬液中形成大量气泡使水中的多种固体粒子对气泡有不同的附着能力收集附于气泡上的矿粒，达到与其它矿物分离的目的。涉及固液界面、固气界面、气液界面及发生这些界面上的多种物理化学作用，如各个界面上的吸附作用，起泡、稳泡和消泡作用，润湿作用等。第33页/共39页浮游选矿的原理图 选择合适的捕集剂，使它的亲水基团只吸在矿砂的表面，憎水基朝向水。当矿砂表面有5%被捕集剂覆盖时，就使表面产生憎水性，它会附在气泡上一起升到液面，便于收集。浮游选矿浮游选矿第34页/共39页浮选成败的一个关键：如何使不同种类的矿粒对气泡的附着力不同。要解决这个问题，首先要了解为什么固体粒子会附着于气泡上。将一固体颗粒放在气液界面上，根据润湿平衡原理，他所取的位置必满足润湿方程的要求：sg-sl =lg cos 随着固体与液体间的润湿性不同，固体粒子在气液界面上的位置便不同，如下图所示：固气水90固气水=90固气水90在气液界面上的固体粒子第35页/共39页显然，只要存在一定接触角，固体颗粒的平衡位置便在界面上。接触角不同，固体粒子在水中部分和气中部分的比例不同，接触角越大固体粒子在气相中的部分就越大。如果接触角为0，固体粒子将处于水相之中，不会附着在气泡上。因此，改变固液体系的润湿性在浮选工艺中十分重要。通常采用适当的化合物使某种感兴趣的固体粒子表面具有疏水性，从而能为气泡所捕集并携带到上层，这种化合物叫做捕集剂。第36页/共39页7 7 润湿热润湿热将一固体浸入一液体所放出的热量称之为浸湿热或润湿热。采用精密量热方法可以测出各种固体和液体浸润过程中的热效应。润湿热的数值可以作为固液体系润湿性能的表征。与接触角互补：在接触角为0或自动铺展的体系，接触角无法分辨体系润湿性能的优劣，此时可从润湿热数据中得到相关信息。第37页/共39页非极性固体的润湿热：对于非极性固体，各种液体与其之间的相互作用主要是色散力。因此，无论液体是极性还是非极性，所得润湿热应该都很相近极性固体的润湿热：极性固体与液体间的相互作用的强弱乃至性质都会随液体的性质不同而不同。第38页/共39页感谢您的观看。第39页/共39页