《润湿与粘附》PPT课件

1、4.2 润湿与粘附润湿与粘附n4.2.1 润湿的类型润湿的类型n 1、沾湿、沾湿n 2、浸湿、浸湿n 3、铺展、铺展n4.2.2 接触角和接触角和 Young方程方程n4.2.3 非理想固体外表上的接触角非理想固体外表上的接触角n 1、外表粗糙度的影响、外表粗糙度的影响n 2、组合外表、组合外表n 3、 吸附膜吸附膜n4.2.4 测定固体外表张力的方法测定固体外表张力的方法n4.2.5 粘附及其化学条件粘附及其化学条件4.2.1 润湿的类型润湿的类型 润湿是一种流体从固体外表置换另一种流润湿是一种流体从固体外表置换另一种流体的过程。最常见的润湿景象是一种液体从固体的过程。最常见的润湿景象是一种

2、液体从固体外表置换空气，如水在玻璃外表置换空气而体外表置换空气，如水在玻璃外表置换空气而展开。展开。 1930年年Osterhof和和Bartell把润湿景象分成把润湿景象分成沾湿、浸湿和铺展三种类型。沾湿、浸湿和铺展三种类型。 1、沾湿图、沾湿图4.2.1沾湿引起体系自在能的变化为：沾湿引起体系自在能的变化为： (4.2.1)式中，式中，LV，SV和和SL分别为单位面积固一液、固分别为单位面积固一液、固一气和液一气的界面自在能。一气和液一气的界面自在能。 沾湿的本质是液体在固体外表上的粘附，沾沾湿的本质是液体在固体外表上的粘附，沾湿的粘附功湿的粘附功Wa为为 (4.2.2) 从式从式4.4.

3、2知知SL越小，那么越小，那么Wa越大，液体越大，液体越易沾湿固体。假设越易沾湿固体。假设Wa0， 那么那么GTP0，沾湿过程可自发进展。固一液界面张力总是小沾湿过程可自发进展。固一液界面张力总是小于它们各自的外表张力之和，这阐明固一液接于它们各自的外表张力之和，这阐明固一液接触时，其粘附功总是大于零。因此，不论对什触时，其粘附功总是大于零。因此，不论对什么液体和固体沾湿过程总是可自发进展的。么液体和固体沾湿过程总是可自发进展的。SLv图图4.2.1沾湿过程沾湿过程 2、浸湿图、浸湿图4.2.2 浸湿过程引起的体系自在能的变化为浸湿过程引起的体系自在能的变化为 (4.2.3) 假设用浸润功假设

4、用浸润功Wi来表示，那么是来表示，那么是 (4.2.4) 是浸润功，假设是浸润功，假设Wi0，那么，那么G0，过程可自发，过程可自发进展。浸湿过程与粘湿过程不同，不是一切液体进展。浸湿过程与粘湿过程不同，不是一切液体和固体均可自发发生浸湿，而只需固体的外表自和固体均可自发发生浸湿，而只需固体的外表自在能比固一液的界面自在能大时浸湿过程才干自在能比固一液的界面自在能大时浸湿过程才干自发进展。发进展。 SVSLGSLSViGWSVL图图4.2.2浸湿过程浸湿过程3、铺展图、铺展图4.2.3 置一液滴于一固体外表。恒温恒压下，假设此置一液滴于一固体外表。恒温恒压下，假设此液滴在固体外表上自动展开构成

5、液膜，那么称此液滴在固体外表上自动展开构成液膜，那么称此过程为铺展润湿。体系自在能的变化为过程为铺展润湿。体系自在能的变化为 (4.2.5) SVLVSLG 对于铺展润湿，常用铺展系数对于铺展润湿，常用铺展系数SL/S来表示体系自在能来表示体系自在能的变化，如的变化，如 (4.2.6) 假设假设S0，那么，那么G0，液体可在固体外表自动展开。，液体可在固体外表自动展开。 铺展系数也可用下式表示铺展系数也可用下式表示 (4.2.7) Wc是液体的内聚功。从上式可以看出，只需液体对固是液体的内聚功。从上式可以看出，只需液体对固体的粘附功大于液体的内聚功，液体即可在固体外表体的粘附功大于液体的内聚功

6、，液体即可在固体外表自开展开。自开展开。LVSLSVSLGS/caLVSLLVSVWWS2SVL图图4.2.3液体在固体外表的铺展液体在固体外表的铺展留意留意:上述条件均是指在无外力作用下液体自动润上述条件均是指在无外力作用下液体自动润湿固体外表的条件。有了这些热力学条件，即可湿固体外表的条件。有了这些热力学条件，即可从实际上判别一个润湿过程能否可以自发进展。从实际上判别一个润湿过程能否可以自发进展。但实践上却远非那么容易，上面所讨论的判别条但实践上却远非那么容易，上面所讨论的判别条件，均需固体的外表自在能和固一液界面自在能，件，均需固体的外表自在能和固一液界面自在能，而这些参数目前尚无适宜的

7、测定方法，因此定量而这些参数目前尚无适宜的测定方法，因此定量地运用上面的判别条件是有困难的。虽然如此，地运用上面的判别条件是有困难的。虽然如此，这些判别条件仍为我们处理润湿问题提供了正确这些判别条件仍为我们处理润湿问题提供了正确的思绪。的思绪。 4.2.2 接触角和接触角和 Young方程方程 将液滴将液滴L放在一理想平面放在一理想平面S上如图上如图4.2.4，假设有一相是气体，那么接触角是气一液界面经过液体而与假设有一相是气体，那么接触角是气一液界面经过液体而与固一液界面所交的角。固一液界面所交的角。1805年，年，Young指出，接触角的问题指出，接触角的问题可当作平面固体上液滴受三个界由

8、张力的作用来处置。当三可当作平面固体上液滴受三个界由张力的作用来处置。当三个作用力到达平衡时，应有下面关系个作用力到达平衡时，应有下面关系 或或 (4.2.8)这就是著名的这就是著名的Young方程。式中方程。式中SV和和LV是与液体的饱和是与液体的饱和蒸气成平衡时的固体和液体的外表张力或外表自在能。蒸气成平衡时的固体和液体的外表张力或外表自在能。 cosLVSLSVLVSLSVcosSVLSVLVSL图图4.2.4液滴在固体外表的接触角液滴在固体外表的接触角 接触角是实验上可测定的一个量。有了接触角的数值，接触角是实验上可测定的一个量。有了接触角的数值，代入润湿过程的判别条件式，即可得：代入

9、润湿过程的判别条件式，即可得： 粘湿：粘湿： 4.2.10 浸湿：浸湿： 4.2.11 0)cos1 (LVaGW01800Wa0cosLViGW0900Wi 铺展：铺展： (4.2.12) 其中，其中，=0或不存在，或不存在，S0 。 根据上面三式，经过液体在固体外表上的接触根据上面三式，经过液体在固体外表上的接触角即可判别一种液体对一种固体的润湿性能。角即可判别一种液体对一种固体的润湿性能。) 1(cosLVGS 从上面的讨论可以看出，对同一对液体和固体，在从上面的讨论可以看出，对同一对液体和固体，在不同的润湿过程中，其润湿条件是不同的。对于浸湿过不同的润湿过程中，其润湿条件是不同的。对于

10、浸湿过程，程，=90完全可作为润湿和不润湿的界限；完全可作为润湿和不润湿的界限；90，那么不润湿。但对于铺展，那么这，那么不润湿。但对于铺展，那么这个界限不适用。个界限不适用。 在处理实践的润湿问题时，应首先分清它是哪一类在处理实践的润湿问题时，应首先分清它是哪一类型，然后才可对其进展正确的判别。如图型，然后才可对其进展正确的判别。如图4.2.5所示的所示的润湿过程，从整个过程看，它是一浸湿过程。但实践上润湿过程，从整个过程看，它是一浸湿过程。但实践上它却阅历了三个过程：它却阅历了三个过程：a到到b为沾湿，为沾湿，b到到c为浸湿，为浸湿，c到到d为铺展。为铺展。 SVLS沾湿沾湿浸湿浸湿铺展铺

11、展图图4.2.5固体进入液体过程固体进入液体过程 4.2.3 非理想固体外表上的接触角非理想固体外表上的接触角 普通固体外表，由于：普通固体外表，由于： l固体外表本身或由于外表污染特别是高能外固体外表本身或由于外表污染特别是高能外表，固体外表在化学组成上往往是不均一的；表，固体外表在化学组成上往往是不均一的； 2因原子或离子陈列的严密程度不同，不同晶面因原子或离子陈列的严密程度不同，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，因外表的扭变或缺陷，其外表自在能亦能够不同；扭变或缺陷，其外表自在能亦能够不同； 3外表粗糙不平等缘由，普通实践外表均不是理

12、外表粗糙不平等缘由，普通实践外表均不是理想外表，给接触角的测定带来极大的困难。想外表，给接触角的测定带来极大的困难。 本节主要讨论外表粗糙度和外表化学组成不均本节主要讨论外表粗糙度和外表化学组成不均匀对接触角的影响。匀对接触角的影响。 1、外表粗糙度的影响、外表粗糙度的影响 将一液滴置于一粗糙外表，将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年提出来的。式年提出来的。式中中r被称为粗糙因子，也就是真实面积与表观面积之被称为粗糙因子，也就是真实面积与表观面积之比。比。cos)(LVSLSVrLVSLSVr)(co

13、s假设将式假设将式4.4.16与与4.4.8比较，可得比较，可得对于粗糙外表，对于粗糙外表，r总是大于总是大于1。 coscosr(4.2.17)图图4-2-6 外表粗糙度的影响外表粗糙度的影响ABSLVCDs.cossSLVCDs.cosnn.snBA(a)(b)因此：因此：190时，时，即在润湿的前提下，外表粗糙，即在润湿的前提下，外表粗糙化后化后变小，更易为液体所润湿。变小，更易为液体所润湿。290时，时， ，即在不润湿的前提下，外表粗，即在不润湿的前提下，外表粗糙化后糙化后变大，更不易为液体所润湿。变大，更不易为液体所润湿。大多数有机液体在抛光的金属外表上的接触角小于大多数有机液体在抛

14、光的金属外表上的接触角小于90，因此在粗糙金属外表上的表观接触角更小。纯水在光滑石蜡因此在粗糙金属外表上的表观接触角更小。纯水在光滑石蜡外表上接触角在外表上接触角在105110之间，但在粗糙的石蜡外表上，之间，但在粗糙的石蜡外表上，实验发现实验发现可高达可高达140。 留意：留意：Wenzel方程只适用于热力学稳定平衡形状。方程只适用于热力学稳定平衡形状。 2、组合外表、组合外表假设由两种不同化学组成的外表组合而成的理假设由两种不同化学组成的外表组合而成的理想光滑平面，是以极小块的方式均匀分布在外表上想光滑平面，是以极小块的方式均匀分布在外表上的，又设当液滴在外表展开时两种外表所占的分数的，又

15、设当液滴在外表展开时两种外表所占的分数不变。在平衡条件下，液滴在固体外表扩展一无限不变。在平衡条件下，液滴在固体外表扩展一无限小量小量dASL，固一气和固一液两界面自在能的变化为，固一气和固一液两界面自在能的变化为x1，x2分别为两种外表所占面积的分数。分别为两种外表所占面积的分数。用用dASL除上式即得除上式即得 SLLSVSLSVSSLSLSVdAxxdA)()()(221121)()(221121LSVSLSVSSLSVxx(4.2.19)根据根据Young方程，式方程，式4.4.19可转化为可转化为 (4.2.20)此即此即Cassie方程。方程。c为液体在组合外表上的接触角，为液体在

16、组合外表上的接触角，1和和2为液体在纯为液体在纯1和纯和纯2外表上的接触角。假设外表上的接触角。假设组合小块面积变大，而且分布不均匀，那么出现组合小块面积变大，而且分布不均匀，那么出现接触角滞后景象。接触角滞后景象。2211coscoscosxxc3、 吸附膜吸附膜 上述各式中的上述各式中的SV是固体露置于蒸气中的是固体露置于蒸气中的外表张力，因此外表带有吸附膜，它与除气外表张力，因此外表带有吸附膜，它与除气后的固体在真空中的外表张力后的固体在真空中的外表张力SO不同，通不同，通常要低得多。就是说。吸附膜将会降低固体常要低得多。就是说。吸附膜将会降低固体外表能，其数值等于吸附膜的外表压外表能，

17、其数值等于吸附膜的外表压，即，即 代入代入Young方程方程得：得： SVSOLVSLSO)(cosLVSLSVcos该式阐明，吸附膜的存在使接触角增大，起着该式阐明，吸附膜的存在使接触角增大，起着妨碍液体铺展的作用。妨碍液体铺展的作用。4.2.4 测定固体外表张力的方法测定固体外表张力的方法几种常用的测定方法：几种常用的测定方法： 1、 临界外表张力测定法临界外表张力测定法 2、利用高聚物液体或熔体的外表张力、利用高聚物液体或熔体的外表张力 与温度的关系求固体的外表张力与温度的关系求固体的外表张力 3、估算法、估算法 4.3.5 粘附及其化学条件粘附及其化学条件 固体外表的剩余力场不仅可与气

18、体分子及溶固体外表的剩余力场不仅可与气体分子及溶液中的质点相互作用发生吸附，还可与其严密接液中的质点相互作用发生吸附，还可与其严密接触的固体或液体的质点相互吸引而发生粘附。粘触的固体或液体的质点相互吸引而发生粘附。粘附景象的本质是两种物质之间外表力作用的结果。附景象的本质是两种物质之间外表力作用的结果。 粘附通常是发生在固液界面上的行为并决议粘附通常是发生在固液界面上的行为并决议于如下条件：于如下条件： (1)润湿性润湿性 (2) 粘附功粘附功W (3) 粘附面的界面张力粘附面的界面张力SL (4) 相溶性或亲和性相溶性或亲和性 1润湿性润湿性 粘附面充分润湿是保证粘附处致密和强度的前提。粘附

19、面充分润湿是保证粘附处致密和强度的前提。润湿愈好粘附也愈好。润湿愈好粘附也愈好。 固固-液界面的润湿是指液体在固体外表上的铺展。液界面的润湿是指液体在固体外表上的铺展。润湿性可用临界外表张力润湿性可用临界外表张力C或润湿张力或润湿张力LV.cos来来度量，其关系由下式决议：度量，其关系由下式决议： 粘附剂对粘附外表润湿愈好，那么粘附剂对粘附外表润湿愈好，那么F愈大，粘附处愈大，粘附处的致密度和强度愈高。的致密度和强度愈高。SLSVLVFcos(2) 粘附功粘附功W 粘附力的大小，与物质的外表性质有关，粘粘附力的大小，与物质的外表性质有关，粘附程度的好坏可经过粘附功附程度的好坏可经过粘附功W衡量

20、。衡量。 所谓粘附功，是指把单位粘附界面拉开所需所谓粘附功，是指把单位粘附界面拉开所需的功。以拉开固一液界面为例，当拉开固一液界的功。以拉开固一液界面为例，当拉开固一液界面后，相当于消逝了固一液界面，但与此同时又面后，相当于消逝了固一液界面，但与此同时又新增了固一气和液一气两种界面，而这三种不同新增了固一气和液一气两种界面，而这三种不同界面上都有着各自的外表界面能。界面上都有着各自的外表界面能。 粘附功数值的大小，标志着固一液两相辅展结合的结实粘附功数值的大小，标志着固一液两相辅展结合的结实程度，粘附功数值越大，阐明将液体从固体外表拉开，需求程度，粘附功数值越大，阐明将液体从固体外表拉开，需求

21、耗费的能量越大，即相互结合结实；相反，粘附功越小，那耗费的能量越大，即相互结合结实；相反，粘附功越小，那么越易分别。么越易分别。n 由图由图4.2.7可见，粘附功应等于新构成外表的外表能可见，粘附功应等于新构成外表的外表能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也称粘附张力。可以看到，当也称粘附张力。可以看到，当粘附剂给定即粘附剂给定即LV值一定时，值一定时，W随随减小而增大。减小而增大。因此，上式可作为粘附性的度量。因此，上式可作为粘附性的度量。 SLLVSVLVW) 1(co

22、sSLSVLVFcosSLLVSVW图图4.2.7 粘附功和界面张力粘附功和界面张力SLLVSVV(3) 粘附面的界面张力粘附面的界面张力SL 界面张力的大小反映界面的热力学稳定界面张力的大小反映界面的热力学稳定性。性。SL越小，粘附界面越稳定，粘附力也越小，粘附界面越稳定，粘附力也越大。同时从式越大。同时从式可见，可见，SL愈小那么愈小那么cos或润湿张力就大。或润湿张力就大。粘附地方的剪断强度与粘附地方的剪断强度与SL的倒数成比例。的倒数成比例。 SLLVSVLVW) 1(cos(4) 相溶性或亲和性相溶性或亲和性 润湿不仅与界面张力有关，也与粘附界面润湿不仅与界面张力有关，也与粘附界面上

23、两相的亲和性有关。例如水和水银两者外表上两相的亲和性有关。例如水和水银两者外表张力分别为张力分别为72和和500达因厘米，但水却不能达因厘米，但水却不能在水银外表铺展。阐明水和水银是不亲和的。在水银外表铺展。阐明水和水银是不亲和的。所谓相溶或亲和，就是指两者润湿时自在能变所谓相溶或亲和，就是指两者润湿时自在能变化化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为润湿热，故相溶性的条件应为润湿热，故相溶性的条件应是是HTS，并可用润湿热，并可用润湿热H来度量。对于分子间由较来度量。对于分子间由较强的极性键或氢键结合时，强的极性键或氢键结合时，H普通小于或接近于零

24、。而普通小于或接近于零。而当分子间由较弱的分子力结合时，那么当分子间由较弱的分子力结合时，那么H通常是正值并通常是正值并可用下式确定：可用下式确定： 式中式中Vm为系统的全体积；为系统的全体积；1、2分别为分别为1、2两成分的体两成分的体积分率；积分率；1、2分别是分别是1、2两成分的相溶性参数。上式两成分的相溶性参数。上式阐明，当阐明，当1=2时，时，H=0。 22121)(mVH 综上所述，良好粘附的外表化学条件应是：综上所述，良好粘附的外表化学条件应是： 1被粘附体的临界外表张力被粘附体的临界外表张力C要大或使润湿张力要大或使润湿张力F添加，以保证良好润湿。添加，以保证良好润湿。 2粘附功要大，以保证结实粘附。粘附功要大，以保证结实粘附。 3粘附面的界面张力粘附面的界面张力SL要小，以保证粘附界面的要小，以保证粘附界面的热力学稳定。热力学稳定。 4粘附