液體在固體表面的潤濕作用

液體在固體表面的潤濕作用第一頁，共三十九頁，2022年，8月28日1.重點基本概念—潤濕作用、沾濕、浸濕、鋪展、接觸角等。基本理論—不同潤濕程度能量的變化情況；潤濕方程及其應用；潤濕程度的定性、定量判據(jù)。潤濕作用應用—應用潤濕作用分析、解決各行業(yè)中的實際問題。2.難點對基本概念的理解（圖示法進行理解）。把基本理論應用于分析、解決實際問題。液體在固體表面的潤濕作用ChapterTwo第二頁，共三十九頁，2022年，8月28日實驗現(xiàn)象前言第三頁，共三十九頁，2022年，8月28日施藥農(nóng)業(yè)、植被除蟲現(xiàn)象巖石裂縫水驅(qū)油過程水潤濕砂巖油潤濕砂巖選礦過程洗滌過程第四頁，共三十九頁，2022年，8月28日①實驗現(xiàn)象②農(nóng)業(yè)、植被應用③工業(yè)應用液體在固體表面產(chǎn)生的一種現(xiàn)象→特殊的界面現(xiàn)象共同點

潤濕現(xiàn)象是普遍而重要的。沒有潤濕作用，人類難以生存和發(fā)展。重要性

什么是潤濕？怎樣判斷？液體與固體界面接觸后會顯示什么樣的物理化學特征？怎樣應用潤濕相關(guān)知識進行分析、解決實際問題?怎樣改變固體界面的潤濕特性？第五頁，共三十九頁，2022年，8月28日Sectionone潤濕作用界面現(xiàn)象角度界面上的一種流體被另一種與之不相混溶流體取代的過程。即固體表面上所吸附氣體被液體取代的現(xiàn)象。熱力學角度固體與液體接觸以后，體系的ΔG下降，則稱固體被液體潤濕。ΔG可以作為潤濕的判斷依據(jù)沾濕

浸濕分類鋪展

定義1.潤濕的定義及分類第六頁，共三十九頁，2022年，8月28日2.沾濕②體系的ΔGA1A2A3①沾濕示意圖界面變化前G?

l-g界面G1=γl-gA1

s-g界面G2=γs-gA2

s-l界面G3=γs-lA3界面變化后G?

第七頁，共三十九頁，2022年，8月28日若體系中界面為一個單位面積，在恒T、恒p下：ΔG=G3-（G1+G2）=γs-lA3-（γl-gA1+γs-gA2

）沾濕過程體系ΔG第八頁，共三十九頁，2022年，8月28日

在沾濕過程中，恒T、恒p下，單位面積的液面與固體表面粘附時對外所作的最大功稱為粘附功。即體系的ΔG發(fā)生了變化，變化的能量用來對外做功，稱之為粘附功。是液體能否沾濕固體的一種量度。粘附功越大，液體越能沾濕固體，液-固結(jié)合越牢。-ΔG=Wa③粘附功（Wa）Wa=（γl-g+γs-g）-γs-l第九頁，共三十九頁，2022年，8月28日γl-g越大，γs-l越小，則Wa越大，越有利于液體沾濕固體。若Wa≥0，ΔG必為負值，沾濕過程將自發(fā)進行。通常情況下s-l界面的自由能總小于s-g和l-g界面自由能，因而黏附功總大于零，沾濕過程總是能夠自發(fā)進行的。WC=2γl-g由Wa=（γl-g+γs-g）-γs-l推導④粘附功討論

若界面為兩個相同l-g界面，轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€液體柱，此時，變化后的界面不存在（γs-l=0），但同樣存在能量的變化——稱之為內(nèi)聚功（WC

）Wa≥0可以作為液體沾濕固體判定條件Wa=（γl-g+γs-g）-γs-l第十頁，共三十九頁，2022年，8月28日2.浸濕

①浸濕過程示意圖浸濕將s-g界面轉(zhuǎn)變?yōu)閟-l界面的過程。而液體表面在此過程中沒有變化。第十一頁，共三十九頁，2022年，8月28日恒T、恒p下，設浸濕面積為一個單位表面積。變化前：s-g界面G1=γs-g；

l-g界面G2=γl-g；變化后：

s-l界面G3=γs-l；

l-g界面G4=γl-g；變化前后的ΔG=(G3+G4)-（G1+G2）=γs-l-γs-g②浸濕過程體系中ΔG③浸濕功WiΔG=γs-l

—γs-gWi=γs-g-γs-lWi=-ΔG定義可知G2=G4第十二頁，共三十九頁，2022年，8月28日④浸濕功Wi討論Wi≥0是液體浸濕固體判定條件。黏附張力A：表示液體表面收縮而產(chǎn)生的浸濕能力。Wi=A=γs-g-γs-lγs-g越大，γs-l越小，則Wi越大，越有利于浸濕進行。若Wi≥0，ΔG≤0，浸濕過程可自發(fā)進行。大多數(shù)無機固體和金屬的γs-g比γs-l大,因此浸濕過程?？梢宰园l(fā)進行。Wi=γs-g-γs-l第十三頁，共三十九頁，2022年，8月28日3.鋪展

①鋪展過程示意圖鋪展是l-s界面取代g-s的同時，g-l也擴大了同樣面積。即當液體與固體表面接觸后，液體自動在固體表面展開，排擠掉原有的另一種流體，鋪展過程中g(shù)-s界面消失的面積與l-s界面增加的面積相等，同時形成等量的g-l界面。Lgs第十四頁，共三十九頁，2022年，8月28日②鋪展過程體系中自由能變化

（鋪展系數(shù)S）

體系只有一個表面，恒T、恒p時，鋪展表面為一個單位面積，體系吉布斯自由能的降低或?qū)ν馑鞯墓，其推導如前：由上式可知，當S≥0時，液體可以自發(fā)在固體表面上鋪展△G=γl-g+γs-l-γs-g△G=-SS=γs-g-γs-l-γl-g第十五頁，共三十九頁，2022年，8月28日S=γs-g-γl-g-γs-lA=Wi=γs-g-γs-lWa=（γl-g+γs-g）-γs-l結(jié)論：

①由黏附功、浸濕功和鋪展系數(shù)表達式分析可知對于同一體系，Wa＞W(wǎng)i

＞S；因此若S≥0，則一定有Wa

＞0，Wi

＞0，說明鋪展是濕潤的最高條件。即液體在固體表面鋪展，也一定能沾濕固體和浸濕固體表面。②利用黏附功、浸濕功和鋪展系數(shù)可以判斷液體在固體表面是否潤濕，其中只有γl-g數(shù)據(jù)可以通過實驗測定，而γs-g和γs-l則難以測定，因此Wa、Wi

、S無法準確計算4.潤濕作用總結(jié)第十六頁，共三十九頁，2022年，8月28日

多數(shù)情況下，將一液體置于固體表面上，液體不會完全展開而是與固體表面成一角度θ，如圖所示。SectiontwoContactangleandWettingequation

θ角怎樣定義？與表面張力γ有何關(guān)系？與潤濕的三種情況有何關(guān)系？怎樣運用θ進行潤濕情況判斷？第十七頁，共三十九頁，2022年，8月28日gl

s

1.接觸角（θ）定義

接觸角指液體滴在固體表面上，在平衡液滴的s-l-g三相交界點處作g-l界面的切線，此切線與固液交界線之間的夾角，用θ表示。定義第十八頁，共三十九頁，2022年，8月28日2.潤濕方程—Young方程γs-g=γs-l+γl-gcosθ

Young方程gls

如圖所示：根據(jù)表面自由能或表面張力的性質(zhì)，可以用力學平衡原理得到平衡接觸角θ與s-g、s-l、l-g界面自由能γs-g

、γs-l、γl-g之間有如下關(guān)系。①潤濕方程的推導Young方程與Wa、Wi、S的表達式結(jié)合起來，就得到如下的等式：第十九頁，共三十九頁，2022年，8月28日②θ與黏附功、浸濕功和鋪展系數(shù)的關(guān)系Wi

=γl-gcosθS=γl-g（cosθ-1）Wa

=γl-g（1+cosθ）（1）潤濕的三種能量變化物理量只與γl-g和θ有關(guān)，而與其它界面能沒有關(guān)系，γl-g易于測定,θ也可以通過儀器測定，因此，Wa

、Wi

、S是可以進行準確計算，從而判斷其變化趨勢，以此準確判斷能否潤濕及潤濕情況。（2）利用接觸角θ也可以判斷潤濕情況。第二十頁，共三十九頁，2022年，8月28日潤濕判據(jù)Wa

=γl-g（1+cosθ）≥0θ≤1800沾濕浸濕鋪展Wi

=γl-gcosθ≥0θ≤900S=γl-g（cosθ-1）≥0θ=00

在實際過程中，通常將θ作為判據(jù)，θ＞900為不潤濕，θ

＜900為潤濕，θ=00或不存在，鋪展。θ越小，潤濕性能越好。θ判據(jù)流體在固體表面上的接觸角在0°~180°范圍3.液體在固體表面潤濕判據(jù)第二十一頁，共三十九頁，2022年，8月28日4.

氣體在固體表面潤濕規(guī)律

液體與固體的接觸角可以看成為液體和空氣對固體表面的競爭結(jié)果。

用滴管將氣體送入浸在液體中的固體表面下面，其結(jié)果如圖所示。若固體是親液的，則液體的接觸角θ

＜900；當然也可以將其補角θ‵作為氣泡的接觸角，此時θ‵

＞900

。若固體是憎液的θ

＞900，氣泡接觸角θ‵＜

900

。由此可以有如下規(guī)律(rule)①氣體對固體的“潤濕性”與液體對固體的潤濕性恰好相反；②固體越憎液，就越容易被氣體“潤濕”，越容易附著在氣泡上；③固體越是親液，就越容易被液體潤濕，越難附著在氣泡上。第二十二頁，共三十九頁，2022年，8月28日Sectionthree固體表面的潤濕性質(zhì)從Young方程

從而可以分析看出，表面能高的固體表面更加容易被液體所潤濕。高能固體表面低能固體表面γs-g越大表示固體表面能越高，使cosθ越大，從而θ越小。按照判據(jù)可知越容易被液體潤濕。第二十三頁，共三十九頁，2022年，8月28日1.高能表面與自憎gs指γ>100mN/m的物質(zhì)。如金屬及其氧化物，硫化物、無機鹽等。定義原因：由于有機液體被吸附到高能表面固體上，形成一種碳氫基朝向空氣的定向排列的吸附膜，從而使原來高能表面變低能表面，其臨界表面張力低于液體的表面張力，以至這種液體在其自身吸附膜上不能鋪展。原因指部分液體即使其表面能遠低于固體表面也不能潤濕固體表面的現(xiàn)象。自憎決定因素取決于表面外層原子團性質(zhì)和排列。潤濕性：碳氟<碳氫化合物<含雜原子有機物<金屬等無機物。低能固體表面：指固體γ<100mN/m的物質(zhì)。如固體有機物及高聚物表面。第二十四頁，共三十九頁，2022年，8月28日2.固體表面的臨界表面張力分析規(guī)律①高分子固體的潤濕性質(zhì)與其分子的元素組成有關(guān)。在碳氫鏈中加入其它雜原子，高聚物的潤濕性能明顯改變。氟原子的加入使?jié)櫇裥越档?，γc變小；而其它原子的加入則使之升高，它們增進潤濕性的能力有如下次序②附有表面活性物質(zhì)分子玻璃或金屬的表面顯示低能表面的性質(zhì)，說明決定固體潤濕性質(zhì)的是表面層原子或原子團的性質(zhì)及排列分部，而與內(nèi)部結(jié)構(gòu)無關(guān)。第二十五頁，共三十九頁，2022年，8月28日③當γc很小時，表現(xiàn)出憎水憎油的雙憎性。利用這一特點生產(chǎn)成的材料有非常大的價值。如不沾鍋的涂層；采油輸油管線的內(nèi)管涂層，均采用γc很小的高分子材料。目的是使其具有雙憎性。第二十六頁，共三十九頁，2022年，8月28日接觸角的測定及影響因素Sectionfour①觀察測量法（通過顯微鏡觀察或攝影做切線后測量其角度）1.接觸角測定—角度測量法作切線再測量，但切線不容易作準！第二十七頁，共三十九頁，2022年，8月28日②斜板法③光反射法固體板面與液面夾角和接觸角相等不需要作切線，但需要液體量大適用于θ=<90°細縫強光照射三相交界處，并轉(zhuǎn)動入射方向，使其反射光剛好沿固體表面出射。第二十八頁，共三十九頁，2022年，8月28日2.接觸角測定—長度測量法①小液滴法

在水平的固體表面上放一滴被測液體，其高度為h，底寬為2r，如圖所示，當液滴很小時(<10-10m3)可近似視為球的一部分，如下關(guān)系。

通過r、h測定，便可求出接觸角θ。這種方法除液滴很小(消除重力影響)外，還應保持固體表面的清潔光滑。第二十九頁，共三十九頁，2022年，8月28日②平衡液滴法在不斷滴加液體，由于重力作用液滴四周攤開，但又由于重力與張力平衡，增加液滴重量，液滴不繼續(xù)攤開，利用液滴勢能與表面能平衡關(guān)系測定出θ。第三十頁，共三十九頁，2022年，8月28日

吊片法接觸角。要求吊片能被液體很好地潤濕。測定時把試樣固體做成吊片，插入待測液中，這時作用于固體吊片的液體表面張力(總力)為

式中，P為吊片所受之力，L為吊片周長，γ1為液體表面張力，又γ1cosθ為粘附張力3.接觸角測定—重量測定法此法不僅可以測定接觸角θ，而且可以直接測定粘附張力第三十一頁，共三十九頁，2022年，8月28日影響接觸角測定的因素滯后現(xiàn)象表面粗糙度的影響液固移動時阻力的影響表面污染、表面粗糙等第三十二頁，共三十九頁，2022年，8月28日SectionfiveTheapplication

aboutwetting潤濕作用的應用潤濕在采油中應用潤濕作用在防水材料中的應用見書P25潤濕作用染色處理見書P25第三十