液體在固體表面的潤(rùn)濕作用

關(guān)于液體在固體表面的潤(rùn)濕作用第1頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期五1.重點(diǎn)基本概念—潤(rùn)濕作用、沾濕、浸濕、鋪展、接觸角等?；纠碚摗煌瑵?rùn)濕程度能量的變化情況；潤(rùn)濕方程及其應(yīng)用；潤(rùn)濕程度的定性、定量判據(jù)。潤(rùn)濕作用應(yīng)用—應(yīng)用潤(rùn)濕作用分析、解決各行業(yè)中的實(shí)際問(wèn)題。2.難點(diǎn)對(duì)基本概念的理解（圖示法進(jìn)行理解）。把基本理論應(yīng)用于分析、解決實(shí)際問(wèn)題。液體在固體表面的潤(rùn)濕作用ChapterTwo第2頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期五實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象前言第3頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期五施藥農(nóng)業(yè)、植被除蟲(chóng)現(xiàn)象巖石裂縫水驅(qū)油過(guò)程水潤(rùn)濕砂巖油潤(rùn)濕砂巖選礦過(guò)程洗滌過(guò)程第4頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期五①實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象②農(nóng)業(yè)、植被應(yīng)用③工業(yè)應(yīng)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(diǎn)

潤(rùn)濕現(xiàn)象是普遍而重要的。沒(méi)有潤(rùn)濕作用，人類(lèi)難以生存和發(fā)展。重要性

什么是潤(rùn)濕？怎樣判斷？液體與固體界面接觸后會(huì)顯示什么樣的物理化學(xué)特征？怎樣應(yīng)用潤(rùn)濕相關(guān)知識(shí)進(jìn)行分析、解決實(shí)際問(wèn)題?怎樣改變固體界面的潤(rùn)濕特性？第5頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期五Sectionone潤(rùn)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(guò)程。即固體表面上所吸附氣體被液體取代的現(xiàn)象。熱力學(xué)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(rùn)濕。ΔG可以作為潤(rùn)濕的判斷依據(jù)沾濕

浸濕分類(lèi)鋪展

定義1.潤(rùn)濕的定義及分類(lèi)第6頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期五2.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7頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期五若體系中界面為一個(gè)單位面積，在恒T、恒p下：ΔG=G3-（G1+G2）=γs-lA3-（γl-gA1+γs-gA2

）沾濕過(guò)程體系ΔG第8頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

在沾濕過(guò)程中，恒T、恒p下，單位面積的液面與固體表面粘附時(shí)對(duì)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(lái)對(duì)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9頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期五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(fù)值，沾濕過(guò)程將自發(fā)進(jìn)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(guò)程總是能夠自發(fā)進(jìn)行的。WC=2γl-g由Wa=（γl-g+γs-g）-γs-l推導(dǎo)④粘附功討論

若界面為兩個(gè)相同l-g界面，轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)液體柱，此時(shí)，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10頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期五2.浸濕

①浸濕過(guò)程示意圖浸濕將s-g界面轉(zhuǎn)變?yōu)閟-l界面的過(guò)程。而液體表面在此過(guò)程中沒(méi)有變化。第11頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期五恒T、恒p下，設(shè)浸濕面積為一個(gè)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(guò)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12頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期五④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(jìn)行。若Wi≥0，ΔG≤0，浸濕過(guò)程可自發(fā)進(jìn)行。大多數(shù)無(wú)機(jī)固體和金屬的γs-g比γs-l大,因此浸濕過(guò)程?？梢宰园l(fā)進(jìn)行。Wi=γs-g-γs-l第13頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期五3.鋪展

①鋪展過(guò)程示意圖鋪展是l-s界面取代g-s的同時(shí)，g-l也擴(kuò)大了同樣面積。即當(dāng)液體與固體表面接觸后，液體自動(dòng)在固體表面展開(kāi)，排擠掉原有的另一種流體，鋪展過(guò)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(shí)形成等量的g-l界面。Lgs第14頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期五②鋪展過(guò)程體系中自由能變化

（鋪展系數(shù)S）

體系只有一個(gè)表面，恒T、恒p時(shí)，鋪展表面為一個(gè)單位面積，體系吉布斯自由能的降低或?qū)ν馑鞯墓，其推導(dǎo)如前：由上式可知，當(dāng)S≥0時(shí)，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15頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期五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(dá)式分析可知對(duì)于同一體系，Wa＞W(wǎng)i

＞S；因此若S≥0，則一定有Wa

＞0，Wi

＞0，說(shuō)明鋪展是濕潤(rùn)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(rùn)濕，其中只有γl-g數(shù)據(jù)可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，而γs-g和γs-l則難以測(cè)定，因此Wa、Wi

、S無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算4.潤(rùn)濕作用總結(jié)第16頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

多數(shù)情況下，將一液體置于固體表面上，液體不會(huì)完全展開(kāi)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(rùn)濕的三種情況有何關(guān)系？怎樣運(yùn)用θ進(jìn)行潤(rùn)濕情況判斷？第17頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期五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(diǎn)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18頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期五2.潤(rùn)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(xué)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(rùn)濕方程的推導(dǎo)Young方程與Wa、Wi、S的表達(dá)式結(jié)合起來(lái)，就得到如下的等式：第19頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期五②θ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(rùn)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(méi)有關(guān)系，γl-g易于測(cè)定,θ也可以通過(guò)儀器測(cè)定，因此，Wa

、Wi

、S是可以進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，從而判斷其變化趨勢(shì)，以此準(zhǔn)確判斷能否潤(rùn)濕及潤(rùn)濕情況。（2）利用接觸角θ也可以判斷潤(rùn)濕情況。第20頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期五潤(rùn)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(shí)際過(guò)程中，通常將θ作為判據(jù)，θ＞900為不潤(rùn)濕，θ

＜900為潤(rùn)濕，θ=00或不存在，鋪展。θ越小，潤(rùn)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(rùn)濕判據(jù)第21頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期五4.

氣體在固體表面潤(rùn)濕規(guī)律

液體與固體的接觸角可以看成為液體和空氣對(duì)固體表面的競(jìng)爭(zhēng)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(dāng)然也可以將其補(bǔ)角θ‵作為氣泡的接觸角，此時(shí)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(duì)固體的“潤(rùn)濕性”與液體對(duì)固體的潤(rùn)濕性恰好相反；②固體越憎液，就越容易被氣體“潤(rùn)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(rùn)濕，越難附著在氣泡上。第22頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期五Sectionthree固體表面的潤(rùn)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(rùn)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(rùn)濕。第23頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期五1.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(wú)機(jī)鹽等。定義原因：由于有機(jī)液體被吸附到高能表面固體上，形成一種碳?xì)浠蚩諝獾亩ㄏ蚺帕械奈侥ぃ瑥亩乖瓉?lái)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(yuǎn)低于固體表面也不能潤(rùn)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(tuán)性質(zhì)和排列。潤(rùn)濕性：碳氟<碳?xì)浠衔?lt;含雜原子有機(jī)物<金屬等無(wú)機(jī)物。低能固體表面：指固體γ<100mN/m的物質(zhì)。如固體有機(jī)物及高聚物表面。第24頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期五2.固體表面的臨界表面張力分析規(guī)律①高分子固體的潤(rùn)濕性質(zhì)與其分子的元素組成有關(guān)。在碳?xì)滏溨屑尤肫渌s原子，高聚物的潤(rùn)濕性能明顯改變。氟原子的加入使?jié)櫇裥越档?，γc變??；而其它原子的加入則使之升高，它們?cè)鲞M(jìn)潤(rùn)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(shuō)明決定固體潤(rùn)濕性質(zhì)的是表面層原子或原子團(tuán)的性質(zhì)及排列分部，而與內(nèi)部結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)。第25頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期五③當(dāng)γc很小時(shí)，表現(xiàn)出憎水憎油的雙憎性。利用這一特點(diǎn)生產(chǎn)成的材料有非常大的價(jià)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26頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期五接觸角的測(cè)定及影響因素Sectionfour①觀察測(cè)量法（通過(guò)顯微鏡觀察或攝影做切線后測(cè)量其角度）1.接觸角測(cè)定—角度測(cè)量法作切線再測(cè)量，但切線不容易作準(zhǔn)！第27頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期五②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(xì)縫強(qiáng)光照射三相交界處，并轉(zhuǎn)動(dòng)入射方向，使其反射光剛好沿固體表面出射。第28頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期五2.接觸角測(cè)定—長(zhǎng)度測(cè)量法①小液滴法

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

通過(guò)r、h測(cè)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(yīng)保持固體表面的清潔光滑。第29頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期五②平衡液滴法在不斷滴加液體，由于重力作用液滴四周攤開(kāi)，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(kāi)，利用液滴勢(shì)能與表面能平衡關(guān)系測(cè)定出θ。第30頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

吊片法接觸角。要求吊片能被液體很好地潤(rùn)濕。測(cè)定時(shí)把試樣固體做成吊片，插入待測(cè)液中，這時(shí)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(zhǎng)，γ1為液體表面張力，又γ1cosθ為粘附張力3.接觸角測(cè)定—重量測(cè)定法此法不僅可以測(cè)定接觸角θ，而且可以直接測(cè)定粘附張力第31頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期五影響接觸角測(cè)定的因素滯后現(xiàn)象表面粗糙度的影響液固移動(dòng)時(shí)阻力的影響表面污染、表面粗糙等第32頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期五SectionfiveTheapplication

aboutwetting潤(rùn)濕作用的應(yīng)用潤(rùn)濕在采油中應(yīng)用潤(rùn)濕作用在防水材料中的應(yīng)用見(jiàn)書(shū)P25潤(rùn)濕作用染色處理見(jiàn)書(shū)P25第33頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期五在水濕砂巖中水驅(qū)油

1.潤(rùn)濕在驅(qū)油中應(yīng)用第34頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期五在油濕砂巖中水驅(qū)油第35頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期五2.（礦物泡沫浮選）氣液對(duì)固體的不同潤(rùn)濕性廣泛用于冶煉、選礦中，有利于有用礦石和無(wú)用的礦渣分開(kāi)（1）礦石表面能否被水潤(rùn)濕？（2）加入收捕劑作用是什么？（3）向水中充氣形成起泡作用是什么？（4）為什么礦物會(huì)漂浮在表面？第36頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期五3.在水處理氣浮中的應(yīng)用充氣固體懸浮顆粒的氣浮去除原理水中有機(jī)物氣浮去除原理第37頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

如圖所示：當(dāng)在作業(yè)中加入緩蝕劑后，由于緩蝕劑（表面活性劑—雙親分子）有能與金屬表面形成強(qiáng)烈吸附作用的基團(tuán)結(jié)構(gòu)（親水基團(tuán)），而使其相互作用；緩蝕劑的另一部分基團(tuán)結(jié)構(gòu)（疏水基團(tuán)）則伸向鉆井液中，起到阻止液體與管線接觸的機(jī)會(huì)，使得管線與腐蝕介質(zhì)隔絕而起到防腐作用。4.潤(rùn)濕在鋼鐵防腐中的應(yīng)用潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)效應(yīng)

如圖所示：在作業(yè)過(guò)程中井筒/管線液體循環(huán)過(guò)程，沒(méi)有加入緩蝕劑之前，由于液體中存在水、氧等腐蝕介質(zhì)，在與管線接觸過(guò)程中，會(huì)對(duì)管線造成嚴(yán)重腐蝕而出現(xiàn)作業(yè)安全隱患。新界面膜第38頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期五在原油中的天然表面活性劑巖石表面水油表面活性劑使地層潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)注入活性水油注入水中表面活性劑5.表面活性劑潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)機(jī)理第39頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期五潤(rùn)濕三種情況定義及能量變化式沾濕鋪展浸濕

是l-g界面與s-g界面轉(zhuǎn)變?yōu)閟-l界面的過(guò)程。也即固體