《潤濕與粘附》PPT課件

1、4.2 潤濕與粘附潤濕與粘附n4.2.1 潤濕的類型潤濕的類型n 1、沾濕、沾濕n 2、浸濕、浸濕n 3、鋪展、鋪展n4.2.2 接觸角和接觸角和 Young方程方程n4.2.3 非理想固體外表上的接觸角非理想固體外表上的接觸角n 1、外表粗糙度的影響、外表粗糙度的影響n 2、組合外表、組合外表n 3、 吸附膜吸附膜n4.2.4 測定固體外表張力的方法測定固體外表張力的方法n4.2.5 粘附及其化學條件粘附及其化學條件4.2.1 潤濕的類型潤濕的類型 潤濕是一種流體從固體外表置換另一種流潤濕是一種流體從固體外表置換另一種流體的過程。最常見的潤濕景象是一種液體從固體的過程。最常見的潤濕景象是一種

2、液體從固體外表置換空氣，如水在玻璃外表置換空氣而體外表置換空氣，如水在玻璃外表置換空氣而展開。展開。 1930年年Osterhof和和Bartell把潤濕景象分成把潤濕景象分成沾濕、浸濕和鋪展三種類型。沾濕、浸濕和鋪展三種類型。 1、沾濕圖、沾濕圖4.2.1沾濕引起體系自在能的變化為：沾濕引起體系自在能的變化為： (4.2.1)式中，式中，LV，SV和和SL分別為單位面積固一液、固分別為單位面積固一液、固一氣和液一氣的界面自在能。一氣和液一氣的界面自在能。 沾濕的本質是液體在固體外表上的粘附，沾沾濕的本質是液體在固體外表上的粘附，沾濕的粘附功濕的粘附功Wa為為 (4.2.2) 從式從式4.4.

3、2知知SL越小，那么越小，那么Wa越大，液體越大，液體越易沾濕固體。假設越易沾濕固體。假設Wa0， 那么那么GTP0，沾濕過程可自發(fā)進展。固一液界面張力總是小沾濕過程可自發(fā)進展。固一液界面張力總是小于它們各自的外表張力之和，這闡明固一液接于它們各自的外表張力之和，這闡明固一液接觸時，其粘附功總是大于零。因此，不論對什觸時，其粘附功總是大于零。因此，不論對什么液體和固體沾濕過程總是可自發(fā)進展的。么液體和固體沾濕過程總是可自發(fā)進展的。SLv圖圖4.2.1沾濕過程沾濕過程 2、浸濕圖、浸濕圖4.2.2 浸濕過程引起的體系自在能的變化為浸濕過程引起的體系自在能的變化為 (4.2.3) 假設用浸潤功假設

4、用浸潤功Wi來表示，那么是來表示，那么是 (4.2.4) 是浸潤功，假設是浸潤功，假設Wi0，那么，那么G0，過程可自發(fā)，過程可自發(fā)進展。浸濕過程與粘濕過程不同，不是一切液體進展。浸濕過程與粘濕過程不同，不是一切液體和固體均可自發(fā)發(fā)生浸濕，而只需固體的外表自和固體均可自發(fā)發(fā)生浸濕，而只需固體的外表自在能比固一液的界面自在能大時浸濕過程才干自在能比固一液的界面自在能大時浸濕過程才干自發(fā)進展。發(fā)進展。 SVSLGSLSViGWSVL圖圖4.2.2浸濕過程浸濕過程3、鋪展圖、鋪展圖4.2.3 置一液滴于一固體外表。恒溫恒壓下，假設此置一液滴于一固體外表。恒溫恒壓下，假設此液滴在固體外表上自動展開構成

5、液膜，那么稱此液滴在固體外表上自動展開構成液膜，那么稱此過程為鋪展?jié)櫇?。體系自在能的變化為過程為鋪展?jié)櫇瘛ｓw系自在能的變化為 (4.2.5) SVLVSLG 對于鋪展?jié)櫇?，常用鋪展系?shù)對于鋪展?jié)櫇?，常用鋪展系?shù)SL/S來表示體系自在能來表示體系自在能的變化，如的變化，如 (4.2.6) 假設假設S0，那么，那么G0，液體可在固體外表自動展開。，液體可在固體外表自動展開。 鋪展系數(shù)也可用下式表示鋪展系數(shù)也可用下式表示 (4.2.7) Wc是液體的內聚功。從上式可以看出，只需液體對固是液體的內聚功。從上式可以看出，只需液體對固體的粘附功大于液體的內聚功，液體即可在固體外表體的粘附功大于液體的內聚功

6、，液體即可在固體外表自開展開。自開展開。LVSLSVSLGS/caLVSLLVSVWWS2SVL圖圖4.2.3液體在固體外表的鋪展液體在固體外表的鋪展留意留意:上述條件均是指在無外力作用下液體自動潤上述條件均是指在無外力作用下液體自動潤濕固體外表的條件。有了這些熱力學條件，即可濕固體外表的條件。有了這些熱力學條件，即可從實際上判別一個潤濕過程能否可以自發(fā)進展。從實際上判別一個潤濕過程能否可以自發(fā)進展。但實踐上卻遠非那么容易，上面所討論的判別條但實踐上卻遠非那么容易，上面所討論的判別條件，均需固體的外表自在能和固一液界面自在能，件，均需固體的外表自在能和固一液界面自在能，而這些參數(shù)目前尚無適宜的

7、測定方法，因此定量而這些參數(shù)目前尚無適宜的測定方法，因此定量地運用上面的判別條件是有困難的。雖然如此，地運用上面的判別條件是有困難的。雖然如此，這些判別條件仍為我們處理潤濕問題提供了正確這些判別條件仍為我們處理潤濕問題提供了正確的思緒。的思緒。 4.2.2 接觸角和接觸角和 Young方程方程 將液滴將液滴L放在一理想平面放在一理想平面S上如圖上如圖4.2.4，假設有一相是氣體，那么接觸角是氣一液界面經過液體而與假設有一相是氣體，那么接觸角是氣一液界面經過液體而與固一液界面所交的角。固一液界面所交的角。1805年，年，Young指出，接觸角的問題指出，接觸角的問題可當作平面固體上液滴受三個界由

8、張力的作用來處置。當三可當作平面固體上液滴受三個界由張力的作用來處置。當三個作用力到達平衡時，應有下面關系個作用力到達平衡時，應有下面關系 或或 (4.2.8)這就是著名的這就是著名的Young方程。式中方程。式中SV和和LV是與液體的飽和是與液體的飽和蒸氣成平衡時的固體和液體的外表張力或外表自在能。蒸氣成平衡時的固體和液體的外表張力或外表自在能。 cosLVSLSVLVSLSVcosSVLSVLVSL圖圖4.2.4液滴在固體外表的接觸角液滴在固體外表的接觸角 接觸角是實驗上可測定的一個量。有了接觸角的數(shù)值，接觸角是實驗上可測定的一個量。有了接觸角的數(shù)值，代入潤濕過程的判別條件式，即可得：代入

9、潤濕過程的判別條件式，即可得： 粘濕：粘濕： 4.2.10 浸濕：浸濕： 4.2.11 0)cos1 (LVaGW01800Wa0cosLViGW0900Wi 鋪展：鋪展： (4.2.12) 其中，其中，=0或不存在，或不存在，S0 。 根據(jù)上面三式，經過液體在固體外表上的接觸根據(jù)上面三式，經過液體在固體外表上的接觸角即可判別一種液體對一種固體的潤濕性能。角即可判別一種液體對一種固體的潤濕性能。) 1(cosLVGS 從上面的討論可以看出，對同一對液體和固體，在從上面的討論可以看出，對同一對液體和固體，在不同的潤濕過程中，其潤濕條件是不同的。對于浸濕過不同的潤濕過程中，其潤濕條件是不同的。對于

10、浸濕過程，程，=90完全可作為潤濕和不潤濕的界限；完全可作為潤濕和不潤濕的界限；90，那么不潤濕。但對于鋪展，那么這，那么不潤濕。但對于鋪展，那么這個界限不適用。個界限不適用。 在處理實踐的潤濕問題時，應首先分清它是哪一類在處理實踐的潤濕問題時，應首先分清它是哪一類型，然后才可對其進展正確的判別。如圖型，然后才可對其進展正確的判別。如圖4.2.5所示的所示的潤濕過程，從整個過程看，它是一浸濕過程。但實踐上潤濕過程，從整個過程看，它是一浸濕過程。但實踐上它卻閱歷了三個過程：它卻閱歷了三個過程：a到到b為沾濕，為沾濕，b到到c為浸濕，為浸濕，c到到d為鋪展。為鋪展。 SVLS沾濕沾濕浸濕浸濕鋪展鋪

11、展圖圖4.2.5固體進入液體過程固體進入液體過程 4.2.3 非理想固體外表上的接觸角非理想固體外表上的接觸角 普通固體外表，由于：普通固體外表，由于： l固體外表本身或由于外表污染特別是高能外固體外表本身或由于外表污染特別是高能外表，固體外表在化學組成上往往是不均一的；表，固體外表在化學組成上往往是不均一的； 2因原子或離子陳列的嚴密程度不同，不同晶面因原子或離子陳列的嚴密程度不同，不同晶面具有不同的外表自在能；即使同一晶面，因外表的具有不同的外表自在能；即使同一晶面，因外表的扭變或缺陷，其外表自在能亦能夠不同；扭變或缺陷，其外表自在能亦能夠不同； 3外表粗糙不平等緣由，普通實踐外表均不是理

12、外表粗糙不平等緣由，普通實踐外表均不是理想外表，給接觸角的測定帶來極大的困難。想外表，給接觸角的測定帶來極大的困難。 本節(jié)主要討論外表粗糙度和外表化學組成不均本節(jié)主要討論外表粗糙度和外表化學組成不均勻對接觸角的影響。勻對接觸角的影響。 1、外表粗糙度的影響、外表粗糙度的影響 將一液滴置于一粗糙外表，將一液滴置于一粗糙外表，有有 (4.2.15)或或 (4.2.16)此即此即Wenzel方程，是方程，是Wenzel于于1936年提出來的。式年提出來的。式中中r被稱為粗糙因子，也就是真實面積與表觀面積之被稱為粗糙因子，也就是真實面積與表觀面積之比。比。cos)(LVSLSVrLVSLSVr)(co

13、s假設將式假設將式4.4.16與與4.4.8比較，可得比較，可得對于粗糙外表，對于粗糙外表，r總是大于總是大于1。 coscosr(4.2.17)圖圖4-2-6 外表粗糙度的影響外表粗糙度的影響ABSLVCDs.cossSLVCDs.cosnn.snBA(a)(b)因此：因此：190時，時，即在潤濕的前提下，外表粗糙，即在潤濕的前提下，外表粗糙化后化后變小，更易為液體所潤濕。變小，更易為液體所潤濕。290時，時， ，即在不潤濕的前提下，外表粗，即在不潤濕的前提下，外表粗糙化后糙化后變大，更不易為液體所潤濕。變大，更不易為液體所潤濕。大多數(shù)有機液體在拋光的金屬外表上的接觸角小于大多數(shù)有機液體在拋

14、光的金屬外表上的接觸角小于90，因此在粗糙金屬外表上的表觀接觸角更小。純水在光滑石蠟因此在粗糙金屬外表上的表觀接觸角更小。純水在光滑石蠟外表上接觸角在外表上接觸角在105110之間，但在粗糙的石蠟外表上，之間，但在粗糙的石蠟外表上，實驗發(fā)現(xiàn)實驗發(fā)現(xiàn)可高達可高達140。 留意：留意：Wenzel方程只適用于熱力學穩(wěn)定平衡形狀。方程只適用于熱力學穩(wěn)定平衡形狀。 2、組合外表、組合外表假設由兩種不同化學組成的外表組合而成的理假設由兩種不同化學組成的外表組合而成的理想光滑平面，是以極小塊的方式均勻分布在外表上想光滑平面，是以極小塊的方式均勻分布在外表上的，又設當液滴在外表展開時兩種外表所占的分數(shù)的，又

15、設當液滴在外表展開時兩種外表所占的分數(shù)不變。在平衡條件下，液滴在固體外表擴展一無限不變。在平衡條件下，液滴在固體外表擴展一無限小量小量dASL，固一氣和固一液兩界面自在能的變化為，固一氣和固一液兩界面自在能的變化為x1，x2分別為兩種外表所占面積的分數(shù)。分別為兩種外表所占面積的分數(shù)。用用dASL除上式即得除上式即得 SLLSVSLSVSSLSLSVdAxxdA)()()(221121)()(221121LSVSLSVSSLSVxx(4.2.19)根據(jù)根據(jù)Young方程，式方程，式4.4.19可轉化為可轉化為 (4.2.20)此即此即Cassie方程。方程。c為液體在組合外表上的接觸角，為液體在

16、組合外表上的接觸角，1和和2為液體在純?yōu)橐后w在純1和純和純2外表上的接觸角。假設外表上的接觸角。假設組合小塊面積變大，而且分布不均勻，那么出現(xiàn)組合小塊面積變大，而且分布不均勻，那么出現(xiàn)接觸角滯后景象。接觸角滯后景象。2211coscoscosxxc3、 吸附膜吸附膜 上述各式中的上述各式中的SV是固體露置于蒸氣中的是固體露置于蒸氣中的外表張力，因此外表帶有吸附膜，它與除氣外表張力，因此外表帶有吸附膜，它與除氣后的固體在真空中的外表張力后的固體在真空中的外表張力SO不同，通不同，通常要低得多。就是說。吸附膜將會降低固體常要低得多。就是說。吸附膜將會降低固體外表能，其數(shù)值等于吸附膜的外表壓外表能，

17、其數(shù)值等于吸附膜的外表壓，即，即 代入代入Young方程方程得：得： SVSOLVSLSO)(cosLVSLSVcos該式闡明，吸附膜的存在使接觸角增大，起著該式闡明，吸附膜的存在使接觸角增大，起著妨礙液體鋪展的作用。妨礙液體鋪展的作用。4.2.4 測定固體外表張力的方法測定固體外表張力的方法幾種常用的測定方法：幾種常用的測定方法： 1、 臨界外表張力測定法臨界外表張力測定法 2、利用高聚物液體或熔體的外表張力、利用高聚物液體或熔體的外表張力 與溫度的關系求固體的外表張力與溫度的關系求固體的外表張力 3、估算法、估算法 4.3.5 粘附及其化學條件粘附及其化學條件 固體外表的剩余力場不僅可與氣

18、體分子及溶固體外表的剩余力場不僅可與氣體分子及溶液中的質點相互作用發(fā)生吸附，還可與其嚴密接液中的質點相互作用發(fā)生吸附，還可與其嚴密接觸的固體或液體的質點相互吸引而發(fā)生粘附。粘觸的固體或液體的質點相互吸引而發(fā)生粘附。粘附景象的本質是兩種物質之間外表力作用的結果。附景象的本質是兩種物質之間外表力作用的結果。 粘附通常是發(fā)生在固液界面上的行為并決議粘附通常是發(fā)生在固液界面上的行為并決議于如下條件：于如下條件： (1)潤濕性潤濕性 (2) 粘附功粘附功W (3) 粘附面的界面張力粘附面的界面張力SL (4) 相溶性或親和性相溶性或親和性 1潤濕性潤濕性 粘附面充分潤濕是保證粘附處致密和強度的前提。粘附

19、面充分潤濕是保證粘附處致密和強度的前提。潤濕愈好粘附也愈好。潤濕愈好粘附也愈好。 固固-液界面的潤濕是指液體在固體外表上的鋪展。液界面的潤濕是指液體在固體外表上的鋪展。潤濕性可用臨界外表張力潤濕性可用臨界外表張力C或潤濕張力或潤濕張力LV.cos來來度量，其關系由下式決議：度量，其關系由下式決議： 粘附劑對粘附外表潤濕愈好，那么粘附劑對粘附外表潤濕愈好，那么F愈大，粘附處愈大，粘附處的致密度和強度愈高。的致密度和強度愈高。SLSVLVFcos(2) 粘附功粘附功W 粘附力的大小，與物質的外表性質有關，粘粘附力的大小，與物質的外表性質有關，粘附程度的好壞可經過粘附功附程度的好壞可經過粘附功W衡量

20、。衡量。 所謂粘附功，是指把單位粘附界面拉開所需所謂粘附功，是指把單位粘附界面拉開所需的功。以拉開固一液界面為例，當拉開固一液界的功。以拉開固一液界面為例，當拉開固一液界面后，相當于消逝了固一液界面，但與此同時又面后，相當于消逝了固一液界面，但與此同時又新增了固一氣和液一氣兩種界面，而這三種不同新增了固一氣和液一氣兩種界面，而這三種不同界面上都有著各自的外表界面能。界面上都有著各自的外表界面能。 粘附功數(shù)值的大小，標志著固一液兩相輔展結合的結實粘附功數(shù)值的大小，標志著固一液兩相輔展結合的結實程度，粘附功數(shù)值越大，闡明將液體從固體外表拉開，需求程度，粘附功數(shù)值越大，闡明將液體從固體外表拉開，需求

21、耗費的能量越大，即相互結合結實；相反，粘附功越小，那耗費的能量越大，即相互結合結實；相反，粘附功越小，那么越易分別。么越易分別。n 由圖由圖4.2.7可見，粘附功應等于新構成外表的外表能可見，粘附功應等于新構成外表的外表能SV和和LV以及消逝的固液界面的界面能以及消逝的固液界面的界面能SL之差：之差：n (4.2.33)n SLLVSVW 合并合并 得得 式中式中LVcos1也稱粘附張力?？梢钥吹?，當也稱粘附張力?？梢钥吹剑斦掣絼┙o定即粘附劑給定即LV值一定時，值一定時，W隨隨減小而增大。減小而增大。因此，上式可作為粘附性的度量。因此，上式可作為粘附性的度量。 SLLVSVLVW) 1(co

22、sSLSVLVFcosSLLVSVW圖圖4.2.7 粘附功和界面張力粘附功和界面張力SLLVSVV(3) 粘附面的界面張力粘附面的界面張力SL 界面張力的大小反映界面的熱力學穩(wěn)定界面張力的大小反映界面的熱力學穩(wěn)定性。性。SL越小，粘附界面越穩(wěn)定，粘附力也越小，粘附界面越穩(wěn)定，粘附力也越大。同時從式越大。同時從式可見，可見，SL愈小那么愈小那么cos或潤濕張力就大?；驖櫇駨埩痛?。粘附地方的剪斷強度與粘附地方的剪斷強度與SL的倒數(shù)成比例。的倒數(shù)成比例。 SLLVSVLVW) 1(cos(4) 相溶性或親和性相溶性或親和性 潤濕不僅與界面張力有關，也與粘附界面潤濕不僅與界面張力有關，也與粘附界面上

23、兩相的親和性有關。例如水和水銀兩者外表上兩相的親和性有關。例如水和水銀兩者外表張力分別為張力分別為72和和500達因厘米，但水卻不能達因厘米，但水卻不能在水銀外表鋪展。闡明水和水銀是不親和的。在水銀外表鋪展。闡明水和水銀是不親和的。所謂相溶或親和，就是指兩者潤濕時自在能變所謂相溶或親和，就是指兩者潤濕時自在能變化化dG0。因此相溶性越好，粘附也好。因此相溶性越好，粘附也好。由于由于G=HTSH為潤濕熱，故相溶性的條件應為潤濕熱，故相溶性的條件應是是HTS，并可用潤濕熱，并可用潤濕熱H來度量。對于分子間由較來度量。對于分子間由較強的極性鍵或氫鍵結合時，強的極性鍵或氫鍵結合時，H普通小于或接近于零

24、。而普通小于或接近于零。而當分子間由較弱的分子力結合時，那么當分子間由較弱的分子力結合時，那么H通常是正值并通常是正值并可用下式確定：可用下式確定： 式中式中Vm為系統(tǒng)的全體積；為系統(tǒng)的全體積；1、2分別為分別為1、2兩成分的體兩成分的體積分率；積分率；1、2分別是分別是1、2兩成分的相溶性參數(shù)。上式兩成分的相溶性參數(shù)。上式闡明，當闡明，當1=2時，時，H=0。 22121)(mVH 綜上所述，良好粘附的外表化學條件應是：綜上所述，良好粘附的外表化學條件應是： 1被粘附體的臨界外表張力被粘附體的臨界外表張力C要大或使?jié)櫇駨埩σ蠡蚴節(jié)櫇駨埩添加，以保證良好潤濕。添加，以保證良好潤濕。 2粘附功要大，以保證結實粘附。粘附功要大，以保證結實粘附。 3粘附面的界面張力粘附面的界面張力SL要小，以保證粘附界面的要小，以保證粘附界面的熱力學穩(wěn)定。熱力學穩(wěn)定。 4粘附