表面活性剂的润湿作用.pptx
第五章 表面活性剂的润湿作用有“工业味精”之称。最早的表面活性剂肥皂第1页/共39页u润湿是表面上的一种流体被另一种流体所取代的过程。因此，润湿作用总涉及三个相，而其中至少二个相是流体。例如：气相-液相-固相；不相溶的液相-液相-固相；不相溶的液相-液相-液相。u通常，润湿是指气相-液相-固相，即固体表面上的气体被液体所取代水或水溶液是特别常见的取代气体的液体，例如：水滴在玻板上。第2页/共39页u有时为不相溶的液相-液相-固相，即在固液界面上一种液体被另一种液体所取代，例如：洗涤时，水洗液取代织物表面的油污。u润湿剂是指能促进水或水溶液将空气从液体或固体表面上取而之的物质。u润湿过程与相关相的表面和界面性质有密切的关系，故表面活性剂必然在此过程中显示出它的作用。第3页/共39页第一节 润湿过程一润湿与接触角u上述公式最早是T.YOUNG在1805年提出的，习惯上称为杨氏方程式。第4页/共39页1附着润湿 附着润湿是指液体与基质固体接触、变液/气界面和固/气界面为固/液界面的过程。例如，涂层整理。附着润湿的比表面自由能的降低是：G/S+G/L L/S 0 0 在恒温恒压下，0，G0，可以附着润湿；180时，Wa0，G0，润湿达到极限。第5页/共39页2浸湿润湿 浸湿润湿是指固体浸入液体中的过程，例如：洗涤时把具、衣服泡在水中即为此种过程。浸湿润湿时，G/S L/Su比表面自由能的降低是：0 0在恒温恒压下，0，G0，可以浸湿润湿；90时，Wi0，G0，浸湿达到极限。第6页/共39页u软（多孔）固体表面渗透压或附加压P=2 LV/R =2LVcos/r=2(SV -SL)/rR 曲率半径、r 毛细半径 90,P 0 不渗透;0渗透。r,SV,SL,（LV）,则,P 第7页/共39页3铺展润湿 铺展过程的实质是在以固/液界面代替固/气界面的同时，液体表面也同时扩展。G/S L/S+new G/L-G=SV -SL-LV=S 0-G=LV(cos-1)=S 0 0 可以铺展 0 不能铺展第8页/共39页粘附张力与三种润湿过程u粘附张力：A=SG -SL 液体在固表取代气体的驱动力WSL=SG -SL+LG=A+LG ,180 Wi=SG -SL=A,90 S=SG -SL-LG=A-LG,0 uSG,SL -固/气，固/液界面张力 SG,SL：A 润湿 uLG 液体的表面张力LG,铺展;LG,附着润湿;cos=A/LG,if A0,LG,cos,第9页/共39页第二节接触角的测定及其影响因素一接触角的测定 1角度测量法u 直接量角法第10页/共39页u 斜板法第11页/共39页2长度测量法滴高法和最高滴高法 sin=2HR/(H2+R2)or tg(/2)=H/R当式中，LG和分别为液体的表面张力和密度，g为重力加速度。第12页/共39页吊片法 第13页/共39页粉末测定法（1）Bartell静态法（2）Washburn动态法 式中为液体的粘度；C为校正因子，R为仪器常数，对指定系统CR为定值，可选用一种渗入速率最 快的液体作标准样品来标定。第14页/共39页二接触角滞后现象1.滞后现象：A-R 0 (A R)后退接触角前进接触角第15页/共39页液体接触角滞后，AR()平滑表面*304560水11304864盐水*10243449甘油7234477乙二醇72854103*表示固体表面粗糙程度的起伏角（见图6-11），愈大表面愈粗糙。*浓度为3mol/L的CaCl2水溶液。表6-1 几种液体在石蜡面上的接触角滞后第16页/共39页影响接触角滞后的因素（）表面粗糙度u杨氏方程：SG-SL=LG cos0u 粗糙表面的杨氏方程：r(SG-SL)=LG cosWu Wentzel 方程：粗糙度 r=cosW/cos0 1润湿固体表面：0 0 cos0,W 0r,W 不润湿固体表面：90 0 180，则 W 0 r,W 第17页/共39页（）表面不均匀性水在二氧化钛与十八烷基三甲基氯化铵混合单分子层上的接触角第18页/共39页第三节 固体表面的润湿性质通常，液体的表面张力都在100mN/m以下。Cos =(SG-SL)/LGu有机固体及高聚物的表面能则与一般液体不相上下，不易被润湿，被称为低能表面(SV 100mJ/m2)。u无机固体易被润湿，如常见的金属及其氧化物、硫化物、无机盐等，其表面被称为高能表面。通常，硬度大、熔点高的固体表面能也较高(SG=100-5000mJ/m2)。第19页/共39页一低能表面的润湿作用 1润湿临界表面张力 c=lim LGcos c 意义：在该液体同系物中，凡表面张力大于者，皆不能在此固体表 面上自行铺展，而 只有表面张力小于 才能自行铺展。第20页/共39页2c 的影响因素（1）高分子固体的润湿性质与其分子的元素组成有关。润湿临界表面张力固体表面固体c（mN/m）固体c（mN/m）高分子固体聚四氟乙烯18有机固体石蜡26聚二（偏）氟乙烯25正三十六烷22聚氟乙烯28季戊四醇四硝酸酯40聚乙烯31铂表面单分子层全氟月桂酸6聚苯乙烯33全氟丁酸9.2聚丙烯酸甲酯35十八胺22聚乙烯醇37戊基十四酸26尼龙6646苯甲酸53聚酯43萘甲酸58聚醋酸乙酸酯33硬脂酸24第21页/共39页（2）附有表面活性物质单分子层的 性质C（mN/m）C（mN/m）碳氟表面碳氢表面CF36CH3（晶体）22CF2H15CH3（单层）24CF3H和CF217CH231CF218CH2和CH33CH2CF320CH（苯环边）35CF2CHF22硝化碳氢表面CF2CH225CH2ONO2（110面）40CFHCH228C(NO2)3（单层）42碳氯表面CH2NHNO2（晶）44CClHCH239CH2ONO2（101面）45CCl243第22页/共39页二高能表面及其自憎现象 高能表面应为一般液体所铺展，将水、煤油等液体滴在干净的玻璃、金属表面上时会自动铺展。（）自憎液体 一些有机液体，其表面张力虽不高，在金属以及玻璃等高能表面上却不展开。原因：这些有机液体分子在高能表面上发生吸附，形成碳氢基朝向空气的定向排列吸附膜。这样，原高能表面实际上成为低能表面，其临界表面张力比液体的表面张力还低，以致这种液体不能在其自身的吸附膜上铺展，故称这种现象为自憎。第23页/共39页液体LG（mN/m）20时的接触角（度）钢白金石英氧化铝辛醇127.835424243辛醇226.7142930262乙基乙醇126.75202619正辛酸29.2344232432乙基己酸27.8511712磷酸三邻基苯酯45.871921一些自憎液体在高能表面上的接触角 第24页/共39页一硬表面固体的润湿所谓硬表面固体是无孔、非颗粒状的固体，如玻璃金属、以及聚酯、聚丙烯、聚乙烯等有机材料，大致可分为非极性和极性表面两类。1非极性固体表面非极性固体表面常见于聚乙烯、聚丙烯等有机材料，属低能表面。SL，LG，有利润湿；若LG C,则可能铺展。第四节 表面活性剂的润湿作用 第25页/共39页第26页/共39页2极性固体表面极性固体表面一般还可以分为聚酯、聚酰胺等有机高分子，也属低能表面；和如离子交换树脂、玻璃、金属及其氧化物等高能表面。（1）固体表面与表面活性剂的表面活性离子具有相同电荷 与的变化也不大。值的减小主要来自气液表面的吸附和的下降。第27页/共39页（2）固体表面与表面活性剂的表面活性离子具有相反电荷 u低浓度时，表面活性离子通过离子对位或交换方式吸附在固体表面，这种吸附削弱了水与固体的相互作用，因而增大，值增大；u浓度大于CMC时，表面活性离子的疏水链可通过疏水吸附与吸附于固液界面的第一层单分子层的表面活性离子的疏水链相吸附，形成双分子吸附膜，表面活性剂离子头指向溶液，因而增加了与水的相互作用并使减小，值再次变小。第28页/共39页二纺织品的润湿表征方法：（1）润湿（渗透）效率，即在指定温度、时间内表面活性剂产生一定量的润湿能力所需要的最低浓度。（2）润湿（渗透）效能，即在指定体系中，在不考虑所用浓度的条件下，表面活性剂完成润湿作用所需要的最少时间。（3）润湿（渗透）时间，即在指定温度时表面活性剂浓度时，指定体系润湿所需要的时间。第29页/共39页2.润湿时间的测定方法（1）帆布片法测量一定质量帆布片的下沉时间；（2）原棉纤维束法通常温度为25，溶液浓度为0.1。测定表面活性剂溶液对纺织品润湿能力的最常用的试验方法是Draves方法，它是用一束5克重的天然带有腊质的棉纱（每卷54英寸（1.37 m），每绞120根）。系在一个3克重的勾子上面，再用一根很细的线将勾子与重物相连结，然后将上述整个装置放入盛有表面活性剂溶液的柱形圆筒中，使其全部被溶液浸没。第30页/共39页3影响表面活性剂的润湿（渗透）作用的因素（1）亲水基位置及支化度 支链疏水基的表面活性剂，由于其在水中的尺寸相对比直链异构体要小，能迅速渗透到内部纤维表面定向排列，所以常常是用于纺织品的优良的润湿（渗透）剂。二羟基四甲基癸炔（Surfynol 104）琥珀酸二异辛酯磺酸钠（AOT）第31页/共39页（2）直链型表面活性剂的长度 分子尺寸愈小，扩散系数愈大，润湿时间更短。在计量疏水链的有效长度时，通常支链上的一个碳原子约相当于主链的2/3个碳原子；亲水的离子基团与极性基团间的一个碳原子约相当于主链的1/2个碳原子；一个苯环则相当于3.5个直链亚甲基；酯键的存在对疏水链有效长度无影响。第32页/共39页（3）表面活性剂浓度的影响 u表面活性剂的浓度足够低时，疏水链较长的表面活性剂比较短的同系物表现出更好的润湿性能。u随着浓度升高，表面活性剂分子的扩散速率增大，当浓度达足够高时，表面活性剂的润湿时间降至最短，其中短链的表面活性剂幅度最大，具有比长链更低的最低润湿时间。第33页/共39页（4）聚氧乙烯醚非离子型表面活性剂 l其乙氧基数目增加时，表面活性剂的润湿时间会经一最小值后增加；l当表面活性剂的浊点正好高于润湿试验的温度时，则该表面活性剂此温度时的润湿时间最短。l聚醚的润湿（渗透）时间随POP的链增加，POE链的减少而降低，其前提是在该温度下聚醚在水中完全溶解。第34页/共39页4添加剂的影响因素（1）中性电解质，通常离子型表面活性剂的润湿（渗透）时间会因水中存在电解质而显著地降低，特别是短链的；（2）水结构调节剂（3）表面活性剂 u在阴离子和非离子型表面活性剂溶液中加入长链醇会增加它们的润湿能力；u将聚氧乙烯醚非离子型表面活性剂加入阴离子型表面活性剂溶液中也会提高其润湿能力，但会降低阳离子型表面活性剂的润湿能力。第35页/共39页5渗透剂由于固液界面常常带负电荷，所以，渗透剂一般为阴、非离子型表面活性剂。常用的渗透剂JFC为脂肪醇聚氧乙烯醚，拉开粉BX，即丁基萘磺酸钠，属阴离子型，高效渗透剂AOT和Surfynol 104则是阴离子和非离子型表面活性剂。溶液的酸碱性阴离子型表面活性剂非离子型表面活性剂用途强碱性短链、可溶解的能用，带易水解酯基的不能用不容易溶解，不能用棉织物丝光、碱减量、退煮漂三合一等工艺弱碱性能使用多数能使用退浆、煮练、漂白工艺接近中性能使用能使用后整理加工工艺弱碱性除硫酸酯盐易水解外，一般能使用能使用次氯酸钠漂白强酸性除磺酸盐类能使用外，一般不能使用多数能使用羊毛炭化，涤棉织物酸减量第36页/共39页三、动态润湿过程1.动态润湿过程大致可分为两大类：l一类是在无外力作用（重力除外）下液体在固体表面上自行铺展的过程，称为自铺展；l另一类是利用外力使液体在固体表面上以一定速度移动而铺展，称为强制铺展。织物、胶片和磁带涂布就是这类过程。第37页/共39页2.实验表明：动态前进接触角与涂布速度、液体的粘度及其表面张力有如下关系：式中，为经验常数。第38页/共39页感谢您的观看。第39页/共39页
