第二章液體在固體表面的潤濕作用20158

1、施藥施藥重要性重要性界面現(xiàn)界面現(xiàn)象角度象角度界面上的一種流體被另一種與之不相混溶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。體被液體取代的現(xiàn)象。熱力學熱力學角角 度度固體與液體接觸以后，體系的固體與液體接觸以后，體系的G下降，下降，則稱固體被液體潤濕。則稱固體被液體潤濕。G可以作為潤濕可以作為潤濕的判斷依據(jù)的判斷依據(jù)沾濕沾濕 浸濕浸濕分類分類鋪展鋪展 A1A2A3界面變化前界面變化前 l-g界面界面 G1=l-gA1 s-g界面界面 G2=s-gA2 s-l界面界面 G3=s-l A3界面變化后界面變化后 若體

2、系中界面為若體系中界面為一個單位一個單位面積面積，在恒，在恒T、恒、恒p下：下：G=G3-（G1+G2） = s-l A3-（l-gA1+s-gA2 ）沾濕過程體系沾濕過程體系Gl-g越大，越大，s-l越小，則越小，則Wa越大，越有利于液體沾濕固體。越大，越有利于液體沾濕固體。若若Wa0，G必為負值，必為負值，沾濕過程將自發(fā)進行。通常情況下沾濕過程將自發(fā)進行。通常情況下s-l界面的自由能總小于界面的自由能總小于s-g和和l-g界面自由能，因界面自由能，因而而黏附功黏附功總大于零，沾濕過程總大于零，沾濕過程總是總是能夠自發(fā)進行的。能夠自發(fā)進行的。WC= 2l-g由由Wa = （l-g+ s-g）

3、- s-l推推 導導 若界面為兩個相同若界面為兩個相同l-g界面，轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€界面，轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€液體柱液體柱，此時，變化后的界面不存在，此時，變化后的界面不存在（ s-l=0），但同樣存在能量的變化），但同樣存在能量的變化稱之為稱之為內(nèi)聚功內(nèi)聚功（ WC ）W Wa a00可以作為液體沾濕固體判定條件可以作為液體沾濕固體判定條件2. 浸浸濕濕 浸濕浸濕過程示意圖過程示意圖恒恒T、恒、恒p下，設下，設浸濕面積浸濕面積為一個單位表面積。為一個單位表面積。變化前：變化前：s-g界面界面 G1=s-g； l-g界面界面 G2=l-g； 變化后：變化后： s-l界面界面 G3=s-l ； l-g界面界面 G

4、4=l-g； 變化前后的變化前后的G=(G3+G4) -（G1+G2）= s-l - s-g浸濕浸濕過程體系中過程體系中G浸濕功浸濕功WiG= s-l s-gWi = s-g- s-lWi = -G定義可知定義可知Wi0是液體浸濕固體判定條件。是液體浸濕固體判定條件。黏附張力黏附張力A：表示液體表面收縮而產(chǎn)生的浸濕能力。表示液體表面收縮而產(chǎn)生的浸濕能力。Wi= A=s-g- s-ls-g越大，越大，s-l越小，則越小，則Wi越大，越有利于浸濕進行。越大，越有利于浸濕進行。若若Wi0，G0，浸濕過程可，浸濕過程可自發(fā)進行。大多數(shù)自發(fā)進行。大多數(shù)無機固體和金屬無機固體和金屬的的s-g比比s-l大大

5、,因此浸濕過程?？梢宰园l(fā)進行。因此浸濕過程?？梢宰园l(fā)進行。Wi = s-g- s-l3.鋪鋪展展 鋪展鋪展是是l-s界面界面取代取代g-s的同的同時，時，g-l也擴大了同樣面積。也擴大了同樣面積。即當液體與固體表面接觸即當液體與固體表面接觸后，液體自動在固體表面后，液體自動在固體表面展開，排擠掉原有的另一展開，排擠掉原有的另一種流體，鋪展過程中種流體，鋪展過程中g-s界界面消失的面積與面消失的面積與l-s界面增界面增加的面積相等，同時形成加的面積相等，同時形成等量的等量的g-l界面。界面。Lgs鋪展鋪展過程體系中過程體系中自由能變化自由能變化 （鋪展系數(shù)鋪展系數(shù)S） 體系只有一個表面，恒體系只

6、有一個表面，恒T、恒、恒p時，鋪展表面為一個單位面積，體系吉布斯自由時，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δ艿慕档突驅(qū)ν馑鞯墓，其推導如前：，其推導如前：由上式可知，當由上式可知，當S0時，液體可以自發(fā)在固體表面上鋪展時，液體可以自發(fā)在固體表面上鋪展G=l-g +s-l-s-gS=s-g-s-l-l-gS=s-g- l-g- s-lA=Wi =s-g- s-lWa =（l-g+ s-g）- s-l結論：結論： 由黏附功、浸濕功和鋪展系數(shù)表達式由黏附功、浸濕功和鋪展系數(shù)表達式分析可知對于分析可知對于同一體系同一體系， Wa Wi S；因此若因此若S0，則一定有，則一

7、定有Wa 0， Wi 0，說明鋪展是濕潤的最高條件。說明鋪展是濕潤的最高條件。即液體在固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鋪展，也一定能沾濕固體和浸濕固體表面。體表面。 利用黏附功、浸濕功和鋪展系數(shù)可以利用黏附功、浸濕功和鋪展系數(shù)可以判斷判斷液體在固體表面是否潤濕，其中只有液體在固體表面是否潤濕，其中只有l(wèi)-g數(shù)據(jù)可以通過實驗測定，而數(shù)據(jù)可以通過實驗測定，而s-g和和 s-l則難則難以測定，因此以測定，因此Wa 、 Wi 、 S無法準確計算無法準確計算4.潤濕潤濕作用作用總結總結 1. 接觸角接觸角指液體滴在固體表面上，在平衡液滴的指液體滴在固體表面上，在平衡液滴的s-l-g

8、s-l-g三相交界點三相交界點處作處作g-lg-l界面的切線界面的切線，此切線與，此切線與固液交界線之間的夾角固液交界線之間的夾角，用，用表示。表示。s-g= s-l+l-g cos 如圖所示：根據(jù)表面自由能或表如圖所示：根據(jù)表面自由能或表面張力的性質(zhì)，可以用力學平衡原面張力的性質(zhì)，可以用力學平衡原理得到理得到平衡接觸角平衡接觸角與與s-g 、s-l、 l-g界面自由能界面自由能s-g 、s-l、l-g之間有如之間有如下關系下關系。 Young方程與方程與Wa、Wi、S的表達式結合起來，就的表達式結合起來，就得到如下的等式：得到如下的等式：與與黏附功、浸黏附功、浸濕功和鋪展系數(shù)的濕功和鋪展系數(shù)

9、的關系關系Wi =l-g cosS=l-g（cos-1）Wa =l-g（1+cos ）（1）潤濕的三種能量變化物理量只與潤濕的三種能量變化物理量只與l-g和和有關，而與其有關，而與其它它界面能界面能沒有關系，沒有關系，l-g易于測定易于測定,也可以通過儀器測定，因此，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。潤濕及潤濕情況。（2）利用）利用接觸角接觸角也可以判斷潤濕情況。也可以判斷潤濕情況。Wa =l-g（1+cos）0Wi =l-g cos 0S=l-g（cos

10、-1） 0 在實際過程中，通常將在實際過程中，通常將作為判據(jù)作為判據(jù)，900為不潤濕，為不潤濕， 900為潤濕，為潤濕， =00或不存在，鋪展?；虿淮嬖冢佌?。越小，潤濕性能越好越小，潤濕性能越好。 液體與固體的接觸角可以液體與固體的接觸角可以看成為液體和空氣對固體表面看成為液體和空氣對固體表面的競爭結果。的競爭結果。(rule)從從Young方程方程g- ll - sg- s-cos 從而可以分析從而可以分析看出，表面能高看出，表面能高的固體表面更加的固體表面更加容易被液體所潤容易被液體所潤濕。濕。高能固體表面高能固體表面低能固體表面低能固體表面s-g越大表示固體表面能越高，使越大表示固體表

11、面能越高，使cos越大，越大，從而從而越小越小。按照判據(jù)可知越容易被液體潤。按照判據(jù)可知越容易被液體潤濕。濕。1.高能表面與自憎高能表面與自憎指指100mN/m的物質(zhì)。如金屬的物質(zhì)。如金屬及其氧化物，硫化物、無機鹽等。及其氧化物，硫化物、無機鹽等。定定義義原因：由于原因：由于有機液體有機液體被吸附到高能表被吸附到高能表面固體上，形成一種面固體上，形成一種碳氫基朝向空氣碳氫基朝向空氣的定向排列的的定向排列的吸附吸附膜，從而使膜，從而使原來高原來高能表面變低能表面能表面變低能表面，其臨界表面張力，其臨界表面張力低于液體的表面張力低于液體的表面張力，以至這種液體，以至這種液體在其自身吸附膜上不能鋪展

12、。在其自身吸附膜上不能鋪展。原原因因指部分液體即指部分液體即使其表面能遠使其表面能遠低于固體表面低于固體表面也不能潤濕固也不能潤濕固體表面的現(xiàn)象。體表面的現(xiàn)象。自憎自憎決定因素決定因素取決于取決于表面外層原表面外層原子團性質(zhì)和排列。子團性質(zhì)和排列。潤濕性：潤濕性：碳氟碳氟碳氫碳氫化合物化合物含雜原子有含雜原子有機物機物金屬等無機物。金屬等無機物。 低能固體表面低能固體表面：指固體：指固體100mN/m100mN/m的物質(zhì)。如的物質(zhì)。如固體有機物及高聚物表面。固體有機物及高聚物表面。2. 高分子固體的高分子固體的潤濕性質(zhì)潤濕性質(zhì)與其與其分子的元素組成分子的元素組成有關。在碳氫鏈中加入其有關。在碳

13、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)櫇裥越档停s原子，高聚物的潤濕性能明顯改變。氟原子的加入使?jié)櫇裥越档停琧變??；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變??；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NOIBrClHF 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)部結構無關。結構無關。觀察測量法觀察測量法（通過（通過顯微鏡觀察或攝

14、影做顯微鏡觀察或攝影做切線后測量其角度）切線后測量其角度）1.作切線再測量，但切線不容易作準！作切線再測量，但切線不容易作準！斜板法斜板法光反射法光反射法固體板面與液面夾固體板面與液面夾角和接觸角相等角和接觸角相等不需要作切不需要作切線，但需要線，但需要液體量大液體量大2適用于適用于=90細縫強光照射細縫強光照射三相交界處三相交界處，并轉(zhuǎn)動入射，并轉(zhuǎn)動入射方向，使其反射光方向，使其反射光剛好剛好沿固體表面出射。沿固體表面出射。2.小液滴法小液滴法 在水平的固體表面上放一滴被測液體，其高度為在水平的固體表面上放一滴被測液體，其高度為h h，底寬，底寬為為2r2r，如圖所示，當液滴很小時，如圖所示

15、，當液滴很小時(10(10-10-10m m3 3) ) 可近似視為球的可近似視為球的一部分，如下關系。一部分，如下關系。)/(r2sin22rhh122/g1cosh 通過通過r、h測定，便可求出接觸角測定，便可求出接觸角。這種方法除液滴很小。這種方法除液滴很小(消消除重力影響除重力影響)外，還應外，還應保持固體表面的保持固體表面的清潔光滑清潔光滑。122h1sing平衡液滴法平衡液滴法在不斷滴加液體，由于重力作用液滴四周攤開，但在不斷滴加液體，由于重力作用液滴四周攤開，但又由于又由于重力與張力平衡重力與張力平衡，增加液滴重量，液滴不繼，增加液滴重量，液滴不繼續(xù)攤開，利用續(xù)攤開，利用液滴勢能

16、與表面能平衡液滴勢能與表面能平衡關系測定出關系測定出。 吊片法接觸角。要求吊片能被液體很好吊片法接觸角。要求吊片能被液體很好地地潤濕潤濕。測定時把。測定時把試樣固體做成吊片試樣固體做成吊片，插入，插入待測液中，這時作用于固體吊片的液體表面待測液中，這時作用于固體吊片的液體表面張力張力( (總力總力) )為為LPcos1LPA/ 式中，式中，P為吊片所為吊片所受之力，受之力，L為吊片周長，為吊片周長，1為液體表面張力，又為液體表面張力，又1cos為粘附張力為粘附張力3.接觸角測定接觸角測定重量測定法重量測定法此法不僅可以測定接觸角此法不僅可以測定接觸角，而且可以直接測定粘附張力而且可以直接測定粘

17、附張力2.（礦物泡沫浮選）（礦物泡沫浮選）氣液對固體的不同潤濕性廣泛用于冶煉、選礦中，有利氣液對固體的不同潤濕性廣泛用于冶煉、選礦中，有利于有用礦石和無用的礦渣分開于有用礦石和無用的礦渣分開（1）礦石表面能否被水潤濕？）礦石表面能否被水潤濕？（2）加入收捕劑作用是什么？）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？）向水中充氣形成起泡作用是什么？（4）為什么礦物會漂浮在表面？）為什么礦物會漂浮在表面？充氣充氣固體懸浮顆粒的氣浮去除原理固體懸浮顆粒的氣浮去除原理 如圖所示：當在作業(yè)中加入緩蝕劑后，由于緩蝕如圖所示：當在作業(yè)中加入緩蝕劑后，由于緩蝕劑（劑（表面活性劑表面活性劑雙親分子

18、雙親分子）有能與金屬表面形成強）有能與金屬表面形成強烈吸附作用的基團結構（親水基團），而使其相互作烈吸附作用的基團結構（親水基團），而使其相互作用；緩蝕劑的另一部分基團結構（用；緩蝕劑的另一部分基團結構（疏水基團疏水基團）則伸向）則伸向鉆井液中，起到阻止液體與管線接觸的機會鉆井液中，起到阻止液體與管線接觸的機會 ，使得管，使得管線與腐蝕介質(zhì)隔絕而起到防腐作用。線與腐蝕介質(zhì)隔絕而起到防腐作用。 如圖所示：在作業(yè)過程中井筒如圖所示：在作業(yè)過程中井筒/管線液體循環(huán)過管線液體循環(huán)過程，沒有加入緩蝕劑之前，由于液體中存在水、氧等程，沒有加入緩蝕劑之前，由于液體中存在水、氧等腐蝕介質(zhì)，在與管線接觸過程中，會對管線造成嚴重腐蝕介質(zhì)，在與管線接觸過程中，會對管線造成嚴重腐蝕而出現(xiàn)作業(yè)安全隱患。腐蝕而出現(xiàn)作業(yè)安全隱患。新界面膜新界面膜在原油中的天在原油中的天然表面活性劑然表面活性劑巖石表面巖石表面水水油油表面活性劑使地層潤濕反轉(zhuǎn)表面活性劑使地層潤濕反轉(zhuǎn)注入活性水注入活性水油油注入水中表注入水中表面活性劑面活性劑潤濕潤濕三種三種情況情況定義定義及能及能量變量變化式化式沾濕沾濕鋪展鋪展浸濕浸濕 是是l-gl-g界面與界面與s-gs-g界面轉(zhuǎn)變?yōu)榻缑孓D(zhuǎn)變?yōu)閟-ls-l界面的過程。也即固體接觸的界面的過程。也即固體接觸的氣體被液體所取代的過程。氣體被液體所取代的過