1、第四章 固-液界面,4.1 Young 方程和接触角,在三相交界处自固-液界面经过液体内部到气-液界面的夹角叫接触角，以表示：,图4-1 接触角,LG,SG,SL,=0; cos=1 完全润湿，液体在固体表面铺展。 090 液体可润湿固体，且越小，润湿越好。 90180 液体不润湿固体。 =180 完全不润湿，液体在固体表面凝成小球。,图4-2 Young方程的推导,从能量观点推导Young方程（如图5-2）,则系统自由焓的变化当液体滑动时，应有：代入得： 平衡时，dG=0,故,4.2粘附功和内聚能 图4-3 -相的分离,在这一过程中，外界所做的功Wa为:Wa是将结合在一起的两相分离成独立的两
2、相外界所做的功，称作粘附功。,图4-4 均相物质的分离,若将均相物质分离成两部分，产生两个新界面，则式（5-5）中，=，=0。则：这里Wc称作内聚功或内聚能，物体的内聚能越大，将其分离产生新表面所需的功也越大。,4.3Young-Dupre公式,对固液界面，粘附功：WSL=S+L-SL 考虑到与气相平衡WSL=SG+LG-SL Young方程：,上式称为Young-Dupre方程，它将固-液之间的粘附功与接触角联系起来。,上式如果=0，则:,也即粘附功等于液体的内聚功，固-液分子间的吸引力等于液体分子与液体分子的吸引力，因此固体被液体完全润湿。如果=180液-固分子之间没有吸引力，分开固-液界
3、面不需做功。此时固体完全不为液体润湿,4.4 接触角的测定方法,4.4.1 停滴法（图4-5）,将液滴视作球形的一部分，测出液滴高度h和2r，由简单几何分析求出：,4.4.2 吊片法,将表面光滑、均匀的固体薄片垂直插入液体中，如果液体能够润湿此固体，则将沿薄片平面上升。升高值h与接触角之间的关系为:,4.4.3纤维对液体的接触角测定,图4-8 电子天平测得的力变化P,如果液体完全润湿纤维，则：,如果液体与纤维之间的接触角为，则有：若纤维的半径r和液体表面张力L已知，则用电子天平法测出P后，由式（4-17）可求出接触角。,测定两种互不相溶液体之间的界面张力和界面接触角,图4-9 界面张力和界面接
4、触角的测试,若完全浸润,P=2rL1/L2 （4-18） 若界面张力L1L2已知，液体与纤维之间存在接触角L1/L2，则：P=2rL1/L2cosL1/L2 （4-19） 因此，测定P可求出纤维在L1/L2界面的接触角L1/L2。,图4-10 用纤维束测接触角示意图,图4-11 浸润曲线,充填率=0.470.53,以m2t作图，可得直线。该直线的斜率即为（4-20）式中t的系数。由斜率即可求出接触角。,（420）,4.5 接触角的滞后现象,4.5.1 前进角和后退角 前进角a 最大前进角a,max 后退角r 最小后退角r,min,前进角和后退角,图4-12 在倾斜板上的液滴,引起接触角滞后的原
5、因,固体表面的粗糙度 固体表面的不均匀性和多相性 固体表面的污染,4.5.2由于表面粗糙引起的滞后,如图4-13所示，在平衡状态下有或式中y为Young接触角，上式叫做Wentzel方程。它表明粗糙表面的cosw的绝对值总比平滑表面的cosy大。,图4-13 表面粗糙度对接触角的影响,当y90时，表面粗糙化将使接触角变大。,当y90时，表面粗糙化将使接触角更小。实验表明，表面粗糙度与接触角滞后有关。,4.5.3由于表面不均匀性和多相性的滞后,前进角往往反映表面能较低的区域，或反映与液体亲和力弱的那部分固体表面的性质，而后退角往往反映表面能较高的区域，或反映与液体亲和力强的那部分固体表面的性质,
6、Cassie方程 cosc = f1cos1+ f2cos2 （4-23）c与a和r的关系近似表示为：,（424）,4.5.4 表面污染,4.6 润湿过程的三种类型,润湿过程有三种类型： 粘附润湿， 浸湿， 铺展润湿。,4.6.1 粘附润湿过程,这是液体直接接触固体，变气-液表面和气-固表面为液-固界面的过程。,图4-15 粘附润湿,固-气 液-气 固-液,Ga0 ，粘附浸润才能发生,Wa0，粘附浸润才能进行,4.6.2 浸湿过程,固-气 固-液,Gi0，浸湿过程才能进行,定义粘附张力只有A0的过程才能发生浸湿。A0为不能浸湿。,4.6.3 铺展润湿过程,固-气 固-液 液-气,Gs0，铺展过
7、程才能进行,定义铺展系数：,SL/S SG SL LG,只有SL/S0的过程才能发生铺展。 SL/S 0为不能铺展。,式（5-31）改写为：式中Wc=2LG为液体的内聚功。若SL/S0，则WaWc。当固/液的粘附功大于液体的内聚功时，液体可以自行铺展在固体表面上。,应用粘附张力A=SG-SL的概念，则铺展系数SL/S可表示为当粘附张力大于液体表面张力时，可以发生铺展,5.6.4 润湿过程的比较,以上三种润湿发生的条件可归纳如下： 粘附润湿：浸湿：铺展润湿：,三种润湿依次表示为：WaASL/S。换言之若SL/S0，必有WaA0,即凡能铺展的必定能粘附润湿与浸湿，铺展湿润是程度最高的一种润湿。,上
8、式中都涉及粘附张力 A=SG-SL.显然，SG越大，SL越小， （SG-SL）差值就越大，越有利于润湿。 对粘附润湿，增大LG有利，对于浸湿， LG的大小不起作用。对铺展润湿来说，减少LG是有利的。,借助Young方程，将SG=SL+LGcos,代入（5-34）中，可得：,类 型 能量判据式 接触角判据 粘附润湿 Wa =LG（cos+1）0 180 浸 湿 A = LGcos0 90 铺展润湿 SL/S = LG（cos-1）0 =0或不存在,习惯上规定=90为润 湿与否的标准，即90为不润湿， 90为润湿，越小润湿越好。当平衡接触角=0或不存在时为铺展。,例题：已知20时，水(w)-辛醇（o）的界面张力 wo9mN/m2，水-汞（H）的界面张力 wH375mN/m2 ，汞-辛醇的界面张力Ho348mN/m2 ，问辛醇能否在水-汞的界面上展开？,解：若能铺展，是水-汞的界面变成水-辛醇的界面和汞-辛醇的界面。G wo Ho wH93483750 或：S wH wo Ho 37593480 所以能够铺展,
