印刷與包裝系制印化學(406)課件

1、第7章 表面活性物質及其應用-27.5 表面活性劑的作用及其原理 液體能附在固體上，稱之“潤濕”。嚴格地說，當液-固二相接觸后，體系的表面自由焓降低，即謂潤濕。7.5.1 潤濕作用液固液體在固體表面濕潤過程的示意圖潤濕程度影響因素：（1）液固種類（2）溫度（3）潤濕劑等WS/L=G/A-油墨從版面轉移到承印物；粘合劑在被粘物表面。設接觸面積為單位值，則此過程中體系自由能的降低值Ga為：7.5.1.1 潤濕的類型1. 粘附潤濕Wa為粘附功，是沾濕過程中，體系對外所能做的最大功，也是將接觸的固體和液體自交界處拉開，外界所需做的最小功。此值越大，固體和液體結合越牢。根據熱力學第二定律，在恒溫恒壓條件

2、下， Wa 0的過程為自發(fā)過程，即自發(fā)沾濕。 2. 鋪展?jié)櫇皲佌梗褐敢后w在固體表面取代空氣并展開的過程。 鋪展過程的實質是固液界面代替固氣界面，同時液體表面擴展，形成新的氣液圖液體在固體上的鋪展過程界面。固液氣固液氣固液氣固液氣固液氣固液氣固液氣固液氣固液氣固液氣固液氣固液氣液體在固體表面上的鋪展-涂布工藝設接觸面積為單位值，則此過程中體系自由能的降低值Gsp為：3. 浸潤浸濕：指固體浸入液體中的過程。固體浸濕過程示意圖氣液固固體浸濕過程示意圖氣液固體浸濕過程示意圖氣液固體浸濕過程示意圖氣液固體浸濕過程示意圖氣液固體浸濕過程示意圖氣液固體浸濕過程示意圖氣液固 該過程實質是固氣界面變?yōu)楣桃航缑妫?/p>

3、而液體表面在過程中無變化。洗衣時把衣服泡在水中就是浸濕過程。-油墨制造：油墨制造中顏料的分散。設接觸面積為單位值，則此過程中體系自由能的降低值Gi為：4. 滲透潤濕液體滲透到毛細管內部時產生的潤濕。設接觸面積為單位值，則此過程中體系自由能的降低值Gp為：-淀粉膠在瓦楞紙上的；油墨在紙張上的干燥-平板印刷（膠?。浩接∩a中，由于滾筒的擠壓，水斗液在劃線部分產生了粘附潤濕，但由于選擇潤濕，這些已吸附的水會被油墨頂替。5. 選擇潤濕單位面積固-液（I）的界面更換為單位面積的固-液（II）的界面：7.5.1.2 Young公式及接觸角的測定 1) Young公式：鋪展?jié)櫇?：浸透潤濕、滲透潤濕: 選

4、擇潤濕: 12 為油中水滴的接觸角；21為水中的油滴的接觸角。 粘附潤濕：接觸角0o 完全潤濕；90o0 o 部分潤濕，液滴呈扁平狀；180o90o， 不潤濕，液滴成平底球狀；=180o， 完全不潤濕， 液滴傾向于形成完整的球體，但實際上這是一種理想的狀況，因為液滴與固體之間總是或多或少存在相互吸引力，如水滴在涂蠟表面上的接觸角約為110o； cos1,液體能在固體表面上鋪展，液滴與固面間不存在平衡狀態(tài)，無接觸角之說。 接觸角的示意圖： 如在液體中加入表面活性劑，則L、SL均會降低，但降低的數值各不一樣，這樣就使得Young公式中右端值變大，必然導致值變小，即加入活性劑后，接觸角會變小，潤濕作

5、用會增強。 例如膠印中的水斗液中常加入2080 (聚氧乙烯聚氧丙烯醚)、6501(月桂酸酯二乙醇酰胺的縮合物)非離子型表面活性劑，以降低水斗液的表面張力，讓其能在水輥等上均勻地形成一層盡可能薄的水膜。照相乳劑在涂布前加入1292（琥珀酸二酯磺酸鈉）就可改變片基的潤濕性能。 1）角度測量法 2）長度測量法 接觸角測定方法7.5.1.3 各種實際固體表面的潤濕 粗面的潤濕鋸齒狀表面上的表觀接觸角a與理論接觸角。 根據該式可以知道實際平面R1當o90o時，a值就隨著R的增加而增加。即：隨表面粗度的增加，容易潤濕的表面變得更容易潤濕，而難潤濕的表面變得更難潤濕。但當粗度的重復單位(皺紋)的大小大于0.

6、5m，則不出現(xiàn)此性質。 -平版表面建立砂目的理由。PS版表面建立砂目的方法-陽極氧化 電解原理示意圖 a是平衡值，實際上由于動力學方面的原因，液滴在固體表面上前進時的接觸角b比實際接觸角a大；后退時的接觸角r比實測接觸角a值小。即：bar 前進接觸角b； 退接觸角r 該現(xiàn)象稱為接觸角的滯后。滯后的大小(b-r)與液滴的大小有關。一般來說，液滴小時滯后大；粗度越大滯后現(xiàn)象越嚴重。 當雨滴打在臟玻璃窗上就可以明顯看到接觸角的滯后現(xiàn)象。另外，在平印操作中總希望水輥上沾有的水斗液尺量少而均勻，這就要求后退接觸角r越小越好(即a越小越好)，這就需要增加滾筒表面的親水性或降低水斗液的表面張力。 復合面的潤

7、濕 難潤濕的粗糙表面，當“皺紋”加深時，設傾角為，當接觸角o 180o-時，液體不能滲入到皺紋中，便形成了復合面，即固體和氣體同時接觸液滴的表面。 粗面為復合面的情況（18000） -Cassie-Baxcer公式 難潤濕的面（090o）來說，a0，即由難潤濕的固體表面和空氣構成的復合面會格外難潤濕。所以雨衣表面有凹凸或長有絨毛的芋頭、菊花、荷葉之類的葉子是極難潤濕的。 復合面的接觸角也有滯后現(xiàn)象，其大小也與液滴大小有關，但從總體上來說，復合面的滯后現(xiàn)象比粗面小。 利用復合面的特性，人們已開發(fā)出了許多實用產品，如“自潔材料”。德國波恩大學的研究者用電子顯微鏡拍攝了荷葉的照片，發(fā)現(xiàn)其表面具有大量

8、的均勻排列的微小凸起物，Creavis公司將這一現(xiàn)象設計應用到高分子自潔材料上（自潔交通路標、防藻建筑物、防污混凝土等），其方法為：通過光輻照成像法制造具有這種結構的50m5mm的鎳箔，壓到高分子表面上，然后通過冷卻分離鎳箔，即可得到表面類似荷葉荷花的高分子材料。 表面化學組成不均一的固體表面稱為不均一面。對于具有兩種化學組成并以同心圓似地重復出現(xiàn)的不均一平滑面的平衡接觸角a和o關系如下： 式中Q1、Q2表示具有理論接觸角為1、2這樣二個面的比例。當2 =180o時即為復合面潤濕。實驗證明，在不均一面上，接觸角滯后現(xiàn)象比復合面大。液滴越小，滯后現(xiàn)象也越大。 不均一面的潤濕低能表面的潤濕低能面：

9、水不能完全潤濕的面(0o)，亦即固體的表面張力s小于水的表面張力w，如一般的有機化合物固體表面。高能面：水能完全潤濕的面(0o)，即sw，如無機氧化物、金屬表面。 低能表面的潤濕難易可用臨界表面張力c的大小來衡量，所謂固體的臨界表面張力就是在這種固體表面上的0o時液體的表面張力。 臨界表面張力測定方法 在某聚合物表面上測定一系列有機液體的接觸角，然后以cos為縱坐標，以表面張力為橫坐標，作圖得直線，外推到cos1，則與該點相對應的表面張力即為該固體的臨界表面張力。 臨界表面張力的求法 常見聚合物固體的臨界表面張力c表面10-3Nm-1c10-3Nm-1CF2CF(CF3)16.2CF2CF21

10、9.018.5CH2CF230.025CH2CHF36.728CH2CH233.131CH2CH(C6H5) 32.033CH2CH(OH) 37CH2CHCl41.539CH2CCl24540滌綸41.343羊毛45尼龍6643.246氯化鈉150鐵1200銅2700金剛石10000形成低能面的代表性的原子團的臨界表面張力 表面原子團c10-3Nm-1表面原子團c10-3Nm-1CF36CH32024CF2H15CH231CF218 一般來說，固體的臨界表面張力的大小與分子的元素組成有關：FHCIBrION 碳氟化合物碳氫化合物含雜原子的有機物r 若在帶電表面上滴上液滴，測其接觸角就可以發(fā)現(xiàn)

11、：接觸角隨時間而上升，若除去液滴，再測定表面電位，則發(fā)現(xiàn)電位值降低了。 乙二醇接觸角隨表面電位的變化情況平滑石蠟面 計算值復合石蠟面7.5.1.4 影響潤濕的因素 1)分子結構 晶體原子的化學鍵類型及電負性決定潤濕性能離子鍵：該晶體是親水性晶體，能被水完全濕潤；共價鍵：該晶體為疏水性晶體，因為液體(水)與固體間的作用力為色散力，但能為非極性液體潤濕；晶體為極性晶體：根據Paulin的電負性的差別，推導出構成晶體的原子的離子鍵合比例，以此來確定晶體能否潤濕；此外Weyl還認為，在離子晶體中，如極化度大的負離子覆蓋晶體表面，則極化度越大，其表面的疏水性越大，Hg2 I2便是其例。 如固體含有雜質，

12、由于雜質的鍵合形式與固體不同，可能改變固-液間的作用力，從而影響潤濕性。例如，石蠟中混有少量的十六醇或棕櫚酸，浸入水中時，其b與r均變小，較純石蠟的潤濕性好。合成琥珀和膠木也隨浸入水中的時間的增加而變得容易潤濕。 液體中的雜質也能顯著影響潤濕，如微量的金屬離子能顯著影響硬脂酸表面的潤濕。2) 雜質 一般來說，液體的表面張力越小，則它對固體的潤濕性愈好，即S-L越大，潤濕效果越好，可見如液體中加入表面活性物質，則該溶液對固體的潤濕能力變強，且在表面活性劑的CMC值附近效果最明顯，不過加入過多的活性劑作用并不大。3) 液體的表面張力 從氟化羧酸溶液對聚乙烯、聚四氟乙烯表面的潤濕情況來看，如氟化羧酸

13、溶液的表面張力為1910-3Nm1時，聚四氟乙烯能被潤濕，而聚乙烯則須在2110-3Nm1時才能被潤濕，前者接近正常潤濕，而又者小于其臨界表面張力C=3110-3 Nm-1，其原因是聚乙烯對氟化羧酸的吸附較聚四氟乙烯的強，從而引起了聚乙烯表面狀態(tài)發(fā)生改變，潤濕性能發(fā)生變化。4）溶質的吸附 在實踐中，我們可以添加表面活性劑改變固-液、固-氣和液-氣三個界面的界面張力，來改變固體的潤濕性能。 能使液體潤濕或加速潤濕固體表面的表面活性劑為潤濕劑。 7.5.1.5 潤濕劑的分子結構潤濕劑的分子結構特點良好的潤濕劑其疏水鏈應具有側鏈結構，且親水基應位于中部，或者是碳氫鏈為較短的直鏈，親水基位于末端。由于潤濕取決于在動態(tài)條件下表面張力降低的能力。因此，潤濕劑不僅應具有良好的表面活性，還要有良好的擴散性，能很快吸附在新的表面上。 大的活性（降低固-液面張力） 擴散