材料表界面第四章

1、材料表界面第四章第1頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)36分，星期四第2頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)36分，星期四一、 Young方程和接觸角四、黏附功和內(nèi)聚能五、Young-Dupre公式二、接觸角的測定方法第四章 液-固界面三、接觸角的滯后現(xiàn)象六、潤濕過程的三種類型第3頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)36分，星期四4.1 Young方程和接觸角在氣、液、固三相交界點(diǎn)，自固-液界面經(jīng)過液體內(nèi)部到氣-液界面的夾角稱為接觸角，通常用q表示。第4頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)36分，星期四4.1 Young方程和接觸角（1）=0，完全潤濕，液體在固 體表

2、面鋪展。（2）090， 液體可潤濕固體，且越小，潤濕越好。（3）90180 液體不潤濕固體。（4）=180，完全不潤濕，液體在固體表面凝成小球。第5頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)36分，星期四4.1 Young方程和接觸角從力學(xué)觀點(diǎn)推導(dǎo)Young方程第6頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)36分，星期四4.1 Young方程和接觸角從能量觀點(diǎn)推導(dǎo)Young方程系統(tǒng)自由焓的變化當(dāng)液體滑動時，應(yīng)有：代入得：平衡時，dG=0,故假定液滴足夠小，重力影響可以忽略?，F(xiàn)液體發(fā)生一個小的位移，使各相界面的面積變化分別為：dA液氣， dA固氣， dA固液第7頁，共58頁，2022年，5月20

3、日，4點(diǎn)36分，星期四第8頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)36分，星期四第9頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)36分，星期四第10頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)36分，星期四停滴法吊片法電子天平法4.2 接觸角的測定方法第11頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)36分，星期四4.2 接觸角的測定方法1. 停留法2rh在光滑、均勻、水平的固體表面上放一小液滴，因液滴很小，重力作用可忽略。將液滴視作球形的一部分，測出液滴高度h與底寬2r。由簡單的幾何分析可求出。第12頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)36分，星期四1. 停留法4.2 接觸角的測定方法儀器

4、結(jié)構(gòu)主要由光源、工作臺、底座、放大鏡、滴液器等部分組成。第13頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)36分，星期四4.2 接觸角的測定方法2. 吊片法將表面光滑、均勻的固體薄片垂直插入液體中，如果液體能夠潤濕此固體，則將沿薄片平面上升。升高值h與接觸角之間的關(guān)系為： sin = 1 (gh22LG) 在已知LG的條件下，不難由上式求出。 第14頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)36分，星期四若液面上升高度為h，由laplace方程由于：所以：且：有：附：吊片法推導(dǎo)公式第15頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)36分，星期四令：則定積分：得：或：第16頁，共58頁，2022年，

5、5月20日，4點(diǎn)36分，星期四4.2 接觸角的測定方法3. 電子天平法 設(shè)一根纖維浸在某液體中，纖維的另一端掛在電子天平的測量臂上。用升降裝置使液面逐漸下降。纖維經(jīng)(b)狀態(tài)脫離液面，在纖維脫離液面的瞬間，電子天平測出該變化過程中力的變化P，由記錄儀記下如右圖的曲線。 第17頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)36分，星期四如果液體完全潤濕纖維，則 P = 2rL 式中r為纖維半徑。若選用半徑已知金屬纖維，使液體能夠完全潤濕纖維，則測出P，即可求出液體的表面張力L。 如果液體與纖維之間的接觸角為，則有 P = 2rLcos 若纖維的半徑r和液體表面張力L已知，則用電子天平法測出P后，即可

6、求出接觸角。4.2 接觸角的測定方法3. 電子天平法第18頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)36分，星期四4.2 接觸角的測定方法3. 電子天平法應(yīng)用電子天平方法還可測定兩種互不相溶液體之間的界面張力和界面接觸角。如圖所示，L1和L2為互不相溶兩種液體。纖維S插入通過L1，L2的界面，當(dāng)升降裝置下降，在纖維離開L1L2界面的瞬間，電子天平測出該過程的力變并記錄下來。在測試中若纖維用鉑金絲，以保證被液體完全潤濕，則：P = 2rL1/L2 測定P可求出兩種互不相溶液體的界面張力L1/L2。 若界面張力L1/L2已知，液體與纖維之間存在接觸角L1/L2，則： P = 2rL1/L2 cos

7、L1/L2 因此，測定P可求出纖維在L1L2界面的接觸角L1/L2。 第19頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)36分，星期四4.2 接觸角的測定方法3. 電子天平法另一種電子天平法使用一束纖維，而不是一根纖維，如左圖所示。在塑料管中充填一束纖維，充填率=0.470.53。使纖維束與液面接觸，因毛細(xì)現(xiàn)象，液體沿著纖維間空隙上升，用電子天平測出增重量m隨浸潤時間變化，可得如下曲線。 第20頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)36分，星期四 通過流體力學(xué)分析，可推導(dǎo)得出如下公式： m2 = (W121 cosH2WfAP1)t 式中：m為在潤濕時刻t時的增重量，由實(shí)驗(yàn)記錄； W1為平衡

8、時的總增重量，由實(shí)驗(yàn)測定； H為纖維的充填高度，可量取； 為浸潤液粘度，可查??； Wf為纖維的充填質(zhì)量，可稱取； AP為纖維的比表面積，可查取或測定； 1為液體的密度，可查取或測定； 1為液體的表面張力，可測定或查取。4.2 接觸角的測定方法3. 電子天平法按上式，以m2-t 作圖，可得直線。該直線的斜率即為式中t的系數(shù)。由斜率即可求出接觸角。第21頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)36分，星期四停滴法吊片法電子天平法4.2 接觸角的測定方法第22頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)36分，星期四決定和影響接觸角大小的因素物質(zhì)的本性(1)液體與固體表面性質(zhì)差別越大接觸角越大。(2

9、)在同一固體上液體的表面張力越大，接觸角越大。2. 接觸角的滯后現(xiàn)象（1）表面粗糙性（2）表面不均勻性（3）表面污染第23頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)36分，星期四4.3 接觸角的滯后現(xiàn)象 前進(jìn)角和后退角前進(jìn)角a最大前進(jìn)角a,max后退角r最小后退角r,min在理想光滑、組成均勻的表面上的平衡接觸角就是Young氏角。許多實(shí)際表面都是粗糙的或是不均勻的，液滴可以處在穩(wěn)定平衡態(tài)（即最低能量態(tài)），也可處于亞穩(wěn)平衡態(tài)，即出現(xiàn)接觸角的滯后現(xiàn)象。 接觸角滯后的原因是由于液滴的前沿存在著能壘。第24頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)36分，星期四4.3 接觸角的滯后現(xiàn)象引起接觸角滯后

10、的原因：固體表面的粗糙度固體表面的不均勻性和多相性固體表面的污染第25頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)36分，星期四4.3.2 由于表面粗糙引起的滯后A：真正表面積；A：表觀表面積當(dāng)液滴向前推進(jìn)時，固液界面的真正面積增加rdS，固氣界面的真正面積相應(yīng)減少rdS，液氣界面的真正面積增加dScosw。式中y為Young接觸角，上式叫做Wentzel方程。它表明粗糙表面的cosw的絕對值總比平滑表面的cosy大。如圖所示，在平衡狀態(tài)下有：4.3 接觸角的滯后現(xiàn)象第26頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)36分，星期四（1）當(dāng)y90時，表面粗糙化將使接觸角變大。潤濕性更差。（3）可見，

11、接觸角越小，表面粗糙度的影響越大，要得到準(zhǔn)確的接觸角，特別注意表面要光滑。第27頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)36分，星期四4.3.3 由于表面不均勻性和多相性引起的滯后4.3 接觸角的滯后現(xiàn)象 在相的交界處存在著能壘，液體的前沿往往停留在相的交界處。前進(jìn)角往往反映表面能較低的區(qū)域，或反映與液體親和力弱的那部分固體表面的性質(zhì)，而后退角往往反映表面能較高的區(qū)域，或反映與液體親和力強(qiáng)的那部分固體表面的性質(zhì)。第28頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)36分，星期四 無論是液體或是固體的表面，在污染后都會引起滯后現(xiàn)象。 表面污染往往來自液體和固體表面的吸附作用，從而使接觸角發(fā)生顯著變

12、化。 影響接觸角的因素十分復(fù)雜，所以在測定時，要盡可能控制測定環(huán)境的溫度、濕度、液體的蒸氣壓、固體表面的清潔度和粗糙度等因素。 4.3.4 表面污染4.3 接觸角的滯后現(xiàn)象第29頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)36分，星期四決定和影響接觸角大小的因素 接觸角的滯后現(xiàn)象（1）表面粗糙性（2）表面不均勻性（3）表面污染第30頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)36分，星期四一、 Young方程和接觸角四、黏附功和內(nèi)聚能五、Young-Dupre公式二、接觸角的測定方法三、接觸角的滯后現(xiàn)象六、潤濕過程的三種類型第31頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)36分，星期四你有試過晾曬

13、自己的心情么？這么好的陽光，這么好的天氣，如果有很多不開心的事情，讓陽光曬涼一下你的心情經(jīng)常都在說：生活也許不能每天都陽光燦爛，但是我們可以每天給生活一個微笑，給自己一縷陽光，試試看，這樣你的心情會好的。 第32頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)36分，星期四4.4 黏附功和內(nèi)聚能液固拉開黏附在等溫等壓條件下，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，它是液體能否潤濕固體的一種量度。粘附功越大，液體越能潤濕固體，液-固結(jié)合得越牢。 在粘附過程中，消失了單位液體表面和固體表面，產(chǎn)生了單位液-固界面。粘附功就等于這個過程表面吉布斯自由能變化值的負(fù)值。第33頁，共58頁，20

14、22年，5月20日，4點(diǎn)36分，星期四液拉開結(jié)合4.4 黏附功和內(nèi)聚能等溫、等壓條件下，兩個單位液面可逆聚合為液柱所作的最大功稱為內(nèi)聚能，是液體本身結(jié)合牢固程度的一種量度。 內(nèi)聚時兩個單位液面消失，所以，內(nèi)聚功在數(shù)值上等于該變化過程表面自由能變化值的負(fù)值。第34頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)36分，星期四對固液界面，粘附功： 考慮到與氣相平衡 Young方程：W固液= 液氣 (1 +cos)4.5 Young-Dupre公式第35頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)36分，星期四4.5 Young-Dupre公式W固液= 液氣 (1 +cos)(1) 上式如果=0，則: 也即

15、粘附功等于液體的內(nèi)聚功，固-液分子間的吸引力等于液體分子與液體分子的吸引力，因此固體被液體完全潤濕。(2) 如果=180，則： 液-固分子之間沒有吸引力，分開固-液界面不需做功。此時固體完全不為液體潤濕。(3) 當(dāng)0A0，即凡能鋪展的必定能粘附潤濕與浸濕，鋪展?jié)駶櫴浅潭茸罡叩囊环N潤濕。第47頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)36分，星期四4.6.4 濕潤過程的比較4.6 潤濕過程的三種類型上式中都涉及粘附張力 A=SG-SL.。顯然，SG越大，SL越小， （SG-SL）差值就越大，越有利于潤濕。對粘附潤濕，增大LG有利，對于浸濕， LG的大小不起作用。對鋪展?jié)櫇駚碚f，減少LG是有利的。

16、 黏附潤濕： Wa = 固氣- 固液 + 液氣 浸濕： A = 固氣- 固液 鋪展?jié)櫇瘢?Sl/s = 固氣- 固液 - 液氣第48頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)36分，星期四借助Young方程，將SG=SL+LGcos, 代入可得： 黏附潤濕： Wa = 固氣- 固液 + 液氣 浸濕： A = 固氣- 固液 鋪展?jié)櫇瘢?Sl/s = 固氣- 固液 - 液氣4.6.4 濕潤過程的比較4.6 潤濕過程的三種類型第49頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)36分，星期四4.6.4 濕潤過程的比較類 型 能量判據(jù)式 接觸角判據(jù) 粘附潤濕 Wa =LG（cos+1）0 180浸 濕 A

17、 = LGcos0 90 鋪展?jié)櫇?SL/S = LG（cos-1）0 =0或不存在 4.6 潤濕過程的三種類型第50頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)36分，星期四習(xí)慣上規(guī)定=90為潤 濕與否的標(biāo)準(zhǔn)，即90為不潤濕， 90為不潤濕， 90為潤濕，越小潤濕越好。當(dāng)平衡接觸角=0或不存在時為鋪展。解：不能潤濕第55頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)36分，星期四例：一滴油酸在20oC時，落在潔凈水面上，已知：水=7310-3 Nm-1 ， 油酸=3210-3 Nm-1；油酸,水=1210-3 Nm-1 ，油酸與水相互飽和后，油酸=油酸 ，水=4010-3 Nm-1據(jù)此判斷：油酸在水面上開始與終了的形狀。 水滴在油酸表面上的形狀又如何？ 黏附潤濕： Wa = 固氣- 固液 + 液氣 浸濕： A = 固氣- 固液 鋪展?jié)櫇瘢?Sl/s = 固氣- 固液 - 液氣第56頁，共58頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)36分，星期四解:S油酸,水=水-油酸-油酸,水=2910-3 Nm-1S油酸,水=水-油酸-油酸,水=-410-3 Nm-1開始時油酸在水面上鋪展成膜，終了時油酸縮回成橢球狀