材料表界面复习课PPT课件

1、考 核 方 式 平时成绩： 20 （包括考勤10和课堂练习、作业等10） 期末考试： 80 （选择，判断，填空，简答，计算）第1页/共79页材料表界面课程主要内容材料表界面课程主要内容一、绪论一、绪论二、液体界面二、液体界面三、固体表面三、固体表面四、固液界面四、固液界面五、表面活性剂五、表面活性剂六、高分子材料的表面张力六、高分子材料的表面张力七、聚合物的表面改性七、聚合物的表面改性八、金属材料的表面八、金属材料的表面九、无机非金属材料的表界面九、无机非金属材料的表界面十、复合材料的界面十、复合材料的界面表界面基础知识表界面基础知识材料表界面材料表界面第2页/共79页什么是表界面？什么是表界

2、面？若其中一相为气体，这种界面通常称为表面 (surface)。表界面通常有五类：气表界面通常有五类：气-液界面（表面），气液界面（表面），气-固界面固界面（表面），液（表面），液-液界面，液液界面，液-固界面，固固界面，固-固界面。固界面。第3页/共79页为什么要学习材料表界面？为什么要学习材料表界面？材料表界面对材料整体性能具有决定性影响。各种材料的性能和制造过程：腐蚀、老化、硬化、破坏、印刷、涂膜、粘结、复合等等，无不与材料的表界面密切有关。第4页/共79页表面张力与表面表面张力与表面GibbsGibbs自由能自由能材料表界面的基本性能材料表界面的基本性能不同点：物理概念、意义不同：表面

3、张力（通常）指纯物质的表面层分子间实际存在着的（收缩）张力。单位：N / m。表面自由能表示形成单位新表面使体系自由能的增加，可表示为：J/m2第5页/共79页材料表界面的基本性能材料表界面的基本性能相同点： 既可表示表面自由能又可表示表面张力，两者量纲既可表示表面自由能又可表示表面张力，两者量纲相同，数值相等：相同，数值相等： 表面自由能表面自由能 J / m2 = N m /m2 = N / m 表面张力表面张力表面张力与表面表面张力与表面GibbsGibbs自由能自由能第6页/共79页材料表界面的基本性能材料表界面的基本性能由于分子在体相内部与界面上所处的环境是不同的，产生了净吸力。把作

4、用于单位把作用于单位边界线边界线上的上的这种力称为这种力称为表面张力表面张力，用，用 表示表示，单位是单位是N Nm m-1-1。表面张力第7页/共79页材料表界面的基本性能材料表界面的基本性能表面张力表面张力的本质：表面张力产生的根本原因：表面张力的方向：分子间相互作用力的不平衡分子间相互作用力表面张力的方向和液面相切，如果液面是平面，表面张力就在这个平面上。 如果液面是曲面，表面张力就在这个曲面的切面上，并促使液体表面积缩小的方向。第8页/共79页材料表界面的基本性能材料表界面的基本性能表面张力影响表面张力的因素：1. 分子间力的影响分子间力的影响表面张力与物质的本性和所接触相的性质有关。

5、液体或表面张力与物质的本性和所接触相的性质有关。液体或者固体中的分子间的相互作用力或化学键力越大，表面者固体中的分子间的相互作用力或化学键力越大，表面张力越大。张力越大。Hg NaCl H2O 苯 金属键离子键极性共价键及氢键非极性共价键第9页/共79页表面张力材料表界面的基本性能材料表界面的基本性能影响表面张力的因素：1. 分子间力的影响分子间力的影响第10页/共79页表面张力2. 温度的影响温度的影响随温度升高，分子间的距离增大，分子间的相互作用力随温度升高，分子间的距离增大，分子间的相互作用力减弱，表面张力就会下降。当温度升高到临界温度时，减弱，表面张力就会下降。当温度升高到临界温度时，

6、液体与气体的界面消失，表面张力趋于零。液体与气体的界面消失，表面张力趋于零。材料表界面的基本性能材料表界面的基本性能影响表面张力的因素：第11页/共79页表面张力材料表界面的基本性能材料表界面的基本性能第六章第六章 高分子材料的表面张力高分子材料的表面张力2 表面形态对表面张力的影响1 表面张力与温度的关系3 表面张力与相对分子质量的关系4 表面张力与分子结构的关系5 表面张力与内聚能密度6 共聚和共混对表面张力的影响7 固体聚合物表面张力的测定方法第12页/共79页材料表界面的四大定理？材料表界面的四大定理？1. Laplace方程2. Kelvin公式3. Gibbs 吸附等温式4. Yo

7、ung方程第13页/共79页1. Laplace方程弯曲表面上的附加压力psps由于液面是弯曲的，沿由于液面是弯曲的，沿AB的周界上的表面张力不能抵的周界上的表面张力不能抵消，作用于边界的力有一指向曲率中心的合力。消，作用于边界的力有一指向曲率中心的合力。所有所有的点产生的合力和为的点产生的合力和为 Ps ，称为，称为附加压力。附加压力。ABAB第14页/共79页1. Laplace方程附加压力的方向总是指向曲率中心。psps弯曲表面上的附加压力第15页/共79页（1）凸液面，液滴的曲率半径r为正，P为正，附加压力指向液体内部，r越小，P越大；（2）平液面，r趋向无穷大，P为零，跨越平液面不存

8、在压力差；（3）凹液面，r为负，P为负，附加压力指向空气。248 2/ (2-15)Prr drprr d 1. Laplace方程第16页/共79页涉及的计算：知道内外压差，液体表面张力，计算液珠直径。248 2/ (2-15)Prr drprr d 1. Laplace方程第17页/共79页1. Laplace方程的应用毛细管法最大气泡压力法滴重法吊环法吊板法液体表面张力测定液体表面张力测定第18页/共79页1. Laplace方程的应用MN0ppp2H OHg毛细管现象毛细管现象浸润液体在细管里升高的现象和不浸润液体在细管里降低的现象,叫做毛细现象.能够产生明显毛细现象的管叫做毛细管.

9、毛细管法第19页/共79页p=2/r (2-19)gh=2 /r (2-20)hrr 毛细管法1. Laplace方程的应用第20页/共79页 毛细管法gh=2 /r (2-20)1. Laplace方程的应用hrr第21页/共79页2. Kelvin公式弯曲表面上的蒸汽压Kelvin公式表明：液滴的半径越小，其蒸汽压越大。气泡的半径越小，其蒸汽压越小。rMRVPPRT22)ln(0第22页/共79页2. Kelvin公式涉及计算时特别注意：液滴：凸面，r0。气泡：凹面，r0, PrP0rMRVPPRT22)ln(0凸液面使得蒸气压增凸液面使得蒸气压增大，因此液滴极难产大，因此液滴极难产生和存

10、在。生和存在。当蒸汽中有灰尘存在或容器的内表面粗糙时，这些物质可以作为蒸汽凝结中心，当蒸汽中有灰尘存在或容器的内表面粗糙时，这些物质可以作为蒸汽凝结中心，使液核易于生成及长大，在蒸汽的过饱和程度较小的情况下，蒸汽就开始凝结。使液核易于生成及长大，在蒸汽的过饱和程度较小的情况下，蒸汽就开始凝结。2. Kelvin公式的应用第25页/共79页1. 过饱和蒸汽2. Kelvin公式的应用 当空气中的水蒸气凝结时，首先形成非常小的液核，在液核存在当空气中的水蒸气凝结时，首先形成非常小的液核，在液核存在的基础上继而长大形成大的液滴，从而发生水蒸气的凝结。的基础上继而长大形成大的液滴，从而发生水蒸气的凝结

11、。根据根据kelvin公式：公式： 对于初始形成的液核，半径非常小，其对应的饱和蒸汽压远远大对于初始形成的液核，半径非常小，其对应的饱和蒸汽压远远大于平液面水的饱和蒸汽压，所以液核很难形成，从而发生了空气中于平液面水的饱和蒸汽压，所以液核很难形成，从而发生了空气中水蒸气过饱和现象。水蒸气过饱和现象。 若在空中存在凝结中心，若在空中存在凝结中心， 比如灰尘，比如灰尘， 会使水滴初始凝结曲率半会使水滴初始凝结曲率半径变大，径变大， 当相应的饱和蒸气压小于高空中有的水蒸气压力时，当相应的饱和蒸气压小于高空中有的水蒸气压力时， 蒸蒸气会凝结成水。人工降雨正是利用种原理，气会凝结成水。人工降雨正是利用种

12、原理， 通过向云层通过向云层 中的过饱中的过饱和水气提供凝聚中心和水气提供凝聚中心( 例如例如Ag I 微粒微粒) 以达到以达到人工增雨人工增雨的目的。的目的。rMRVPPRT22)ln(0第26页/共79页2. 过热液体 按照相平衡条件应当沸腾而不沸腾的液体。液体液体气泡气泡凹液面凹液面r0,PrP0rMRVPPRT22)ln(0凹液面使得气泡的凹液面使得气泡的产生非常困难。产生非常困难。为防止过热，常在液体中投入一些素烧瓷片等多孔性物质。其孔为防止过热，常在液体中投入一些素烧瓷片等多孔性物质。其孔中储存有气体，加热时这些气体成为新相种子。中储存有气体，加热时这些气体成为新相种子。2. Ke

13、lvin公式的应用第27页/共79页 液体沸腾时不仅在液体表面进行气化， 而且在液体内部要自动形成小气泡。根据开尔文公式可知， 对于这样的气泡其饱和蒸气压小于平面液体的饱和蒸气压，而且起泡半径越小，泡内饱和蒸气压越小。在沸点时， 最初形成的半径极小的气泡内的饱和蒸气压远小于外压， 因此在外压的压迫下，小气泡难以形成，以至液体不易沸腾而形成过热液体。实践中， 在液体中加入多孔物质， 如沸石便是通过增大最初形成气泡的半径， 从而避免液体过热现象。2. Kelvin公式的应用rMRVPPRT22)ln(02. 过热液体 按照相平衡条件应当沸腾而不沸腾的液体。第28页/共79页3. 过饱和溶液 在平衡

14、条件下，应当有晶体析出而未析出的溶液。rMCCRTls2ln0小晶粒的溶解度大于大晶粒的溶解度。小晶粒的溶解度大于大晶粒的溶解度。2. Kelvin公式第29页/共79页 温度一定时，晶体颗粒越小，则 1/r 越大，溶解度也越大。所以当溶液在恒温下浓缩时，溶质的浓度逐渐增大，达到普通晶体的饱和浓度时，对微小晶体却仍未达到饱和状态，因而不可能析出微小晶体，从而形成过饱和溶液。若要自动生成微小晶体，还需进一步蒸发，达到一定的过饱和程度时，小晶体才可能不断析出。2. Kelvin公式 开尔文公式对于溶质的溶解度也可适用， 只要将公式中的蒸气压换成溶质的饱和浓度即可， 即微小晶体颗粒的饱和浓度大于普通

15、晶体的饱和浓度。rMCCRTls2ln03. 过饱和溶液 在平衡条件下，应当有晶体析出而未析出的溶液。第30页/共79页3. Gibbs 吸附等温式112 (2-47)2ln22cccRTRTTT 表面张力与溶液浓度的关系21表示单位面积上吸附溶质的过剩量，单位是mol/cm2。它表示溶质的表面浓度和本体浓度之差。 C2为溶质的质量摩尔浓度或体积摩尔浓度。第31页/共79页21为为正正，为，为正正吸附，溶质的表面浓度吸附，溶质的表面浓度大于大于本体浓度，本体浓度，即为表面即为表面超量超量；21为为负负，则为，则为负负吸附，溶质的表面浓度吸附，溶质的表面浓度小于小于本体浓本体浓度，即为表面度，即

16、为表面亏量亏量；3. Gibbs 吸附等温式112 (2-47)2ln22cccRTRTTT 表面张力与溶液浓度的关系第32页/共79页3. Gibbs 吸附等温式表面张力与溶液浓度的关系 像第三类物质那样，加入很少量就能大大降低溶剂的像第三类物质那样，加入很少量就能大大降低溶剂的表面张力，使表面呈现活性状态的物质称为表面张力，使表面呈现活性状态的物质称为表面活性剂。表面活性剂。第33页/共79页 表面活性剂的分子结构特点及分类 亲油基亲油基亲水基亲水基 按亲水基类型分类是表面活性剂分类的主要方法第34页/共79页 表面活性剂的亲水亲油性能的衡量 亲疏平衡值（HLB）相转型温度（PIT）第35

17、页/共79页 表面活性剂的亲疏平衡值（HLB）亲疏平衡值（HLB） 表面活性剂都是两亲分子，由于亲水和亲油基团的不同，很难用相同的单位来衡量，所以Griffin提出了用一个相对的值即HLB值来表示表面活性物质的亲水性。HLB值的大小表示表面活性剂亲水亲油性的相对大小，HLB值越大，表示该表面活性剂的亲水性越强；HLB值越低，则亲油性或疏水性越强。 一般来讲，指定石蜡的HLB=0，油酸的HLB=1，油酸钾的HLB=20，十二烷基硫酸酯钠的HLB=40。以此为标准，阴离子表面活性剂HLB在1-40之间，非离子表面活性剂的HLB在1-20之间。第36页/共79页（1）非离子表面活性剂HLB值的确定

18、对聚氧乙烯型和多元醇型非离子型表面活性剂:1005亲 水 基 分 子 量疏 水 基 分 子 量 亲 水 基 分 子 量1005HLB 亲 水 基 部 分 分 子 量表 面 活 性 剂 分 子 量（2）其他类型表面活性剂HLB值的计算7 (2-4)HLBHL （3）混合表面活性剂HLB值的计算 (2-5)AABBABmHLBmHLBHLBmm 表面活性剂的亲疏平衡值（HLB）第37页/共79页表面活性剂的相转型温度（PIT） 非离子型表面活性剂在低温下可形成水包油型乳状液，随着温度升高，非离子型表面活性剂的亲水基团（特别是聚氧乙烯链）的水合程度随温度升高而降低，表面活性剂亲水性下降，溶解度减小，

19、HLB值下降，最后达到某一温度，使得乳状液从原来的水包油型转变为油包水型。这一温度称为相转型温度PIT。第38页/共79页表面活性剂的亲水性越强，PIT越高。越容易溶解非离子表面活性剂的油，其PIT值越低。PIT与HLB的关系近乎直线。HLB值大，其亲水性强，其PIT越高，故需在较高的温度下才能转相。PIT的测定可用电导法。表面活性剂的相转型温度（PIT）第39页/共79页 表面活性剂的临界胶束浓度（CMC） 少量活性剂的加入可使水的表面张力迅速下降，但到某一浓度后，水溶液的表面张力几乎不变。这个表面张力转折点的浓度称为临界胶束浓度（CMC）。表面活性剂达到形成单分子膜的最低浓度；表面活性剂溶

20、液中开始形成胶束的最低浓度第40页/共79页 表面活性剂的临界胶束浓度（CMC）表面活性剂浓度变大表面活性剂浓度变大C CMC溶液中的分子的憎水基相互溶液中的分子的憎水基相互吸引，分子自发聚集，形成吸引，分子自发聚集，形成球状、层状胶束，将憎水基球状、层状胶束，将憎水基埋在胶束内部埋在胶束内部第41页/共79页临界胶束浓度的影响因素：亲油因素使CMC下降；亲水因素使CMC增加 表面活性剂的临界胶束浓度（CMC）亲油基亲油基亲水基亲水基第42页/共79页1. 亲油因素：疏水基的影响亲油因素：疏水基的影响在在C8C16范围内，表面活性剂范围内，表面活性剂疏水基烃链长度增加，疏水基烃链长度增加，CM

21、C下降。下降。 表面活性剂的临界胶束浓度（CMC）第43页/共79页2. 亲水基的影响亲水基的影响亲水基团越多，亲水基团越多，CMC值越大，值越大，亲水基种类对亲水基种类对CMC影响不大。影响不大。开始时CMC随温度升高而下降，中间经过一最小值，然后随温度升高而增大。3. 温度的影响 表面活性剂的临界胶束浓度（CMC）第44页/共79页4. 其它因素的影响其它因素的影响（1）电解质的影响，添加电解质使）电解质的影响，添加电解质使CMC下降。下降。（2）有机物的加入。）有机物的加入。 表面活性剂的临界胶束浓度（CMC）第45页/共79页表面活性剂的胶束 两亲分子溶解在水中达一定浓度时，其非极性部

22、分会互相吸引，从而使得分子自发形成有序的聚集体，使憎水基向里、亲水基向外，减小了憎水基与水分子的接触，使体系能量下降，这种多分子有序聚集体称为胶束。 随着亲水基不同和浓度不同，形成的胶束可呈现棒状、层状或球状等多种形状。 第46页/共79页表面活性剂溶液中形成的胶团结构表面活性剂的胶束 第47页/共79页表面活性剂的重要作用润湿作用：农药，浮游选矿乳化作用：化妆品分散作用：纳米材料的合成起泡与消泡：食品添加剂增溶作用：水不溶性或微溶性物质在胶束溶液中的溶解度可显著增加洗涤作用：洗漱用品，洗涤剂第48页/共79页4. Young方程在气、液、固三相交界点，自固-液界面经过液体内部到气-液界面的夹

23、角称为接触角，通常用q表示。qcos液气固液固气qcos液气固液固气qcos液气固液固气qcos液气固液固气第49页/共79页 黏附润湿： Wa = 固气- 固液 + 液气 浸湿： A = 固气- 固液 铺展润湿： Sl/s = 固气- 固液 - 液气 润湿过程的三种类型：润湿过程的三种类型：4. Young方程第50页/共79页 黏附润湿： Wa = 固气- 固液 + 液气 浸湿： A = 固气- 固液 铺展润湿： Sl/s = 固气- 固液 - 液气4. Young方程对于同一系统，三种润湿可依次表示为WaASl/s。换言之，若SL/S0，必有WaA0，也就是说，凡是能铺展润湿的必能粘附润湿和浸湿，反之则未必。因此铺展是润湿程度最高的一种润湿。为什么说铺展是润湿的最高形式？为什么说铺展是润湿的最高形式？第51页/共79页借助Young方程，将SG=SL+L