《应用胶体与界面化学》03 表面张力与润湿作用.共69页

一 、润 湿 作 用 二、接触角与Young方程 三 、决定和影响接触角大小的 因 素 四 、常用的接触角测量方法 …
一 、润 湿 作 用
凝聚态物体表面一种流体被另一种流体取代的过程称为润湿(wetting)。例如， 液体将固体表面的气体取代，形成液体膜或液滴。液体取代固体表面气体，液 体不能完全展开的过程称为沾湿(adhesion)。沾湿是原有的气液和固气界面消 失形成新的固液界面。若形成单位界面，此过程在恒温、恒压条件下，自由能 的改变为 WA 称为黏附功，是将单位固液界面拉开外界需做的最小功，WA 表征固液界面(即 固体与液体分子间)作用力的大小。WA＞0(即 ΔGA＜0)是沾湿过程自发进行的条 件。 液体自发在固体表面展开成一薄层，此过程称为铺展(spreading)。铺展是固气 界面消失、气液界面和固液界面形成的过程。若形成单位界面，此过程自由能 的改变为 S 称为铺展系数。此过程自发进行的标准是 ΔS＞0(即 ΔGs＜0)。
一 、 几个小实验
在石蜡表面上的小水滴会自动成球形；在水面上用简单的方法可使金属针(或分 值硬币)漂浮，但不能使它们悬浮于水中；从管口缓慢自然形成的液滴形状与橡 胶薄膜中盛水悬起的形状很相似；插入水中的毛笔笔毛是分散开的，当笔头提 出水面后笔毛并拢，成一体状。这些实验现象说明：①液体表面与体相液体的 性质不完全相同；②液体表面似存在一弹性膜；③液体表面有自动缩小的本能。 液体表面的这些特点可从力学和能量的角度予以解释。
第二节 弯曲液面内外压力差与曲率 半径的关系——Laplace公式
一、Laplace公式的简单导出
二、LaplaBiblioteka e公式的应用举例一、Laplace公式的简单导出
弯曲液面与平液面不同，弯曲液面表面张力在法线方向的合力不等于零。凸液 面，表面张力合力方向指向液体内部；凹液面，合力方向指向液体上方。为保 持弯曲液面的存在与平衡，弯曲液面内外两侧有压力差：弯曲液面突向一侧的 压力总是小于另一侧的；换言之，当液面两侧有压力差时，能形成弯曲液面， 液面突向的一侧压力小，两侧压力差与液体表面张力和弯曲液面的曲率半径有 关。

B B B
dA SdT pdV dAsT Vdp dAs BdnB
从这些热力学基本公式可得
U H A G As S ,V ,nB As S , p ,nB As T ,V ,nB As T , p ,nB
四、聚合物对溶胶的稳定和絮凝作用 1.空间稳定理论 2.高分子化合物的敏化作用和保护作用
五、分散剂 & 絮凝剂 作用机理
03 表面张力与润湿作用
§3-1
液体的 表面张力 σ的影响因素 导出、应用 接触角θ与Young方程 θ的影响因素
§3-2 Laplace公式. §3-3 润湿 §3-4 浮选 §3-5 液液界面张力 §3-6 界面张力的测定 §3-7
低），所以表面分子受到被拉 入体相的作用力。
这种作用力使表面有自动收缩到最小的趋势，并
使表面层显示出一些独特性质，如表面张力、表面吸 附、毛细现象、过饱和状态等。
液体表面的最基本的特性是趋向于收缩
1 液体表面自动缩小 2 欲扩大表面积需外界对其做功
力学定义： 如果在活动边框上挂一重物， 使重物质量W2与边框质量W1所产 生的重力F与总的表面张力大小相 等方向相反，则金属丝不再滑动。
p总 p0 ps
对活塞稍加压力，将
毛细管内液体压出少许
使液滴体积增加dV 相应地其表面积增加dA 克服附加压力ps所作的 功等于可逆增加表面积的
p0
Gibbs自由能
V 4 3
ps dV dAs
dV 4 r dr
2
ps
R'
r
3
As 4 r
2
dAs 8 rdr
2 ps r Laplace公式

04
表面张力与润湿作用的实验 研究
实验目的
探究表面张力对润湿作用的影响
验证润湿作用的理论模型
通过实验观察不同表面张力下的润湿现象 ，分析表面张力与润湿作用的关系。
利用实验数据验证润湿作用的理论模型， 如Young-Laplace方程、Wenzel模型等。
探索表面活性剂对润湿作用的影 响
通过实验研究表面活性剂对表面张力和润 湿作用的影响，了解其作用机制。
在印刷行业中，润湿作用用于控制墨水的铺展和渗透，从而影响印刷质 量和效果。通过调整表面张力，可以优化印刷品的清晰度和色彩。
在金属加工领域，表面张力对金属的熔融、凝固和成型过程具有重要影 响。通过合理控制表面张力，可以提高金属制品的表面质量和机械性能。
在环境科学中的应用
在水处理中，表面张力与润湿作用可用于改善 水体的表面张力，从而促进水滴的形成和分离， 提高水处理的效率和效果。
润湿的类型
01
02
03
完全润湿
当液体完全覆盖固体表面， 形成一层液膜，称为完全 润湿。例如，水滴在玻璃 表面。
部分润湿
当液体仅部分覆盖固体表 面，形成不连续的液滴， 称为部分润湿。例如，水 滴在油性笔迹上。
不润湿
当液体无法在固体表面展 开，形成球形液滴，称为 不润湿。例如，水滴在荷 叶表面。
润湿的应用
工业涂层
通过控制涂层的润湿性，可以提高涂层的附着 力和防腐蚀性能。
防雾剂
通过改变镜面表面的润湿性，可以防止雾气生 成，保持清晰视野。
油墨印刷
油墨的润湿性能决定了印刷品的清晰度和附着 性。
03
表面张力与润湿作用的关系
表面张力对润湿的影响
01
表面张力是液体表面抵 抗收缩的力，表面张力 越大，液体越不容易润

四、 润湿作用与接触角
一.润湿作用 凝聚态物体表面一种流体被另一种流体 取代的过程称为润湿。 润湿过程分为三类，即在日常生活中经 常遇到的沾湿、浸湿和铺展。
沾湿
液体取代固体表面气体，液体不能完全展开的 过程称为沾湿。
GA sg lg sl WA
当WA>0时，即 GA 0 时， 沾湿过程才是自发的。
2.2 表面不均匀性 因各种原因固体表面有不同表面能的区域使 得θ大小与表面组成有关。若表面由性质1和2的 物质组成，各占表面分数f1和f2，某种液体在各纯 组成的物质上的θ分别为θ1和θ2，混合表面的θ为：
2.1表面粗糙性 表面粗糙度：真实的粗糙的固体表面积与相 同体积固体完全平滑表面积之比。用r来表示， r≥1，r越大，表面越粗糙。 某液体在粗糙表面上的表观接触角θ′与在同 一固体平滑面上接触角θ有下述关系：
r ( lg cos ) lg cos ' r cos cos '
Wenzel方程
Cr镀层 铁管
固-固界面
三、表面张力
一）、 处于液体体相内的任 一分子受到其周围四面八方分 子的作用是相等的，可以抵消， 故在液体内部分子的移动无需 做功。 处于液体表面上的分子 受到液体内部分子的作用力远 大于另一侧气体（或蒸气)分子 的作用力，因而液体表面分子 有自动向液体内部迁移的趋势， 这种趋势的表现之一是液体表 面自动缩小，表现之二为欲扩 大表面需外界做功。
3、扩散理论 扩散理论认为，粘接是通过胶粘剂与 被粘物界面上分子扩散产生的。当胶粘剂 和被粘物都是具有能够运动的长链大分子 聚合物时，扩散理论基本是适用的。热塑 性塑料的溶剂粘接和热焊接可以认为是分 子扩散的结果。
4、静电理论 由于在胶粘剂与被粘物界面上形成双电 层而产生了静电引力，即相互分离的阻力。 当胶粘剂从被粘物上剥离时有明显的电荷 存在，则是对该理论有力的证实。