第二章液体在固体表面的润湿作用20158

1、施药施药重要性重要性界面现界面现象角度象角度界面上的一种流体被另一种与之不相混溶界面上的一种流体被另一种与之不相混溶流体取代的过程。即固体表面上所吸附气流体取代的过程。即固体表面上所吸附气体被液体取代的现象。体被液体取代的现象。热力学热力学角角 度度固体与液体接触以后，体系的固体与液体接触以后，体系的G下降，下降，则称固体被液体润湿。则称固体被液体润湿。G可以作为润湿可以作为润湿的判断依据的判断依据沾湿沾湿 浸湿浸湿分类分类铺展铺展 A1A2A3界面变化前界面变化前 l-g界面界面 G1=l-gA1 s-g界面界面 G2=s-gA2 s-l界面界面 G3=s-l A3界面变化后界面变化后 若体

2、系中界面为若体系中界面为一个单位一个单位面积面积，在恒，在恒T、恒、恒p下：下：G=G3-（G1+G2） = s-l A3-（l-gA1+s-gA2 ）沾湿过程体系沾湿过程体系Gl-g越大，越大，s-l越小，则越小，则Wa越大，越有利于液体沾湿固体。越大，越有利于液体沾湿固体。若若Wa0，G必为负值，必为负值，沾湿过程将自发进行。通常情况下沾湿过程将自发进行。通常情况下s-l界面的自由能总小于界面的自由能总小于s-g和和l-g界面自由能，因界面自由能，因而而黏附功黏附功总大于零，沾湿过程总大于零，沾湿过程总是总是能够自发进行的。能够自发进行的。WC= 2l-g由由Wa = （l-g+ s-g）

3、- s-l推推 导导 若界面为两个相同若界面为两个相同l-g界面，转变为一个界面，转变为一个液体柱液体柱，此时，变化后的界面不存在，此时，变化后的界面不存在（ s-l=0），但同样存在能量的变化），但同样存在能量的变化称之为称之为内聚功内聚功（ WC ）W Wa a00可以作为液体沾湿固体判定条件可以作为液体沾湿固体判定条件2. 浸浸湿湿 浸湿浸湿过程示意图过程示意图恒恒T、恒、恒p下，设下，设浸湿面积浸湿面积为一个单位表面积。为一个单位表面积。变化前：变化前：s-g界面界面 G1=s-g； l-g界面界面 G2=l-g； 变化后：变化后： s-l界面界面 G3=s-l ； l-g界面界面 G

4、4=l-g； 变化前后的变化前后的G=(G3+G4) -（G1+G2）= s-l - s-g浸湿浸湿过程体系中过程体系中G浸湿功浸湿功WiG= s-l s-gWi = s-g- s-lWi = -G定义可知定义可知Wi0是液体浸湿固体判定条件。是液体浸湿固体判定条件。黏附张力黏附张力A：表示液体表面收缩而产生的浸湿能力。表示液体表面收缩而产生的浸湿能力。Wi= A=s-g- s-ls-g越大，越大，s-l越小，则越小，则Wi越大，越有利于浸湿进行。越大，越有利于浸湿进行。若若Wi0，G0，浸湿过程可，浸湿过程可自发进行。大多数自发进行。大多数无机固体和金属无机固体和金属的的s-g比比s-l大大

5、,因此浸湿过程常可以自发进行。因此浸湿过程常可以自发进行。Wi = s-g- s-l3.铺铺展展 铺展铺展是是l-s界面界面取代取代g-s的同的同时，时，g-l也扩大了同样面积。也扩大了同样面积。即当液体与固体表面接触即当液体与固体表面接触后，液体自动在固体表面后，液体自动在固体表面展开，排挤掉原有的另一展开，排挤掉原有的另一种流体，铺展过程中种流体，铺展过程中g-s界界面消失的面积与面消失的面积与l-s界面增界面增加的面积相等，同时形成加的面积相等，同时形成等量的等量的g-l界面。界面。Lgs铺展铺展过程体系中过程体系中自由能变化自由能变化 （铺展系数铺展系数S） 体系只有一个表面，恒体系只

6、有一个表面，恒T、恒、恒p时，铺展表面为一个单位面积，体系吉布斯自由时，铺展表面为一个单位面积，体系吉布斯自由能的降低或对外所作的功能的降低或对外所作的功S，其推导如前：，其推导如前：由上式可知，当由上式可知，当S0时，液体可以自发在固体表面上铺展时，液体可以自发在固体表面上铺展G=l-g +s-l-s-gS=s-g-s-l-l-gS=s-g- l-g- s-lA=Wi =s-g- s-lWa =（l-g+ s-g）- s-l结论：结论： 由黏附功、浸湿功和铺展系数表达式由黏附功、浸湿功和铺展系数表达式分析可知对于分析可知对于同一体系同一体系， Wa Wi S；因此若因此若S0，则一定有，则一

7、定有Wa 0， Wi 0，说明铺展是湿润的最高条件。说明铺展是湿润的最高条件。即液体在固即液体在固体表面铺展，也一定能沾湿固体和浸湿固体表面铺展，也一定能沾湿固体和浸湿固体表面。体表面。 利用黏附功、浸湿功和铺展系数可以利用黏附功、浸湿功和铺展系数可以判断判断液体在固体表面是否润湿，其中只有液体在固体表面是否润湿，其中只有l-g数据可以通过实验测定，而数据可以通过实验测定，而s-g和和 s-l则难则难以测定，因此以测定，因此Wa 、 Wi 、 S无法准确计算无法准确计算4.润湿润湿作用作用总结总结 1. 接触角接触角指液体滴在固体表面上，在平衡液滴的指液体滴在固体表面上，在平衡液滴的s-l-g

8、s-l-g三相交界点三相交界点处作处作g-lg-l界面的切线界面的切线，此切线与，此切线与固液交界线之间的夹角固液交界线之间的夹角，用，用表示。表示。s-g= s-l+l-g cos 如图所示：根据表面自由能或表如图所示：根据表面自由能或表面张力的性质，可以用力学平衡原面张力的性质，可以用力学平衡原理得到理得到平衡接触角平衡接触角与与s-g 、s-l、 l-g界面自由能界面自由能s-g 、s-l、l-g之间有如之间有如下关系下关系。 Young方程与方程与Wa、Wi、S的表达式结合起来，就的表达式结合起来，就得到如下的等式：得到如下的等式：与与黏附功、浸黏附功、浸湿功和铺展系数的湿功和铺展系数

9、的关系关系Wi =l-g cosS=l-g（cos-1）Wa =l-g（1+cos ）（1）润湿的三种能量变化物理量只与润湿的三种能量变化物理量只与l-g和和有关，而与其有关，而与其它它界面能界面能没有关系，没有关系，l-g易于测定易于测定,也可以通过仪器测定，因此，也可以通过仪器测定，因此，Wa 、 Wi 、S是可以进行准确计算，从而判断其变化趋势，以此准确判断能否是可以进行准确计算，从而判断其变化趋势，以此准确判断能否润湿及润湿情况。润湿及润湿情况。（2）利用）利用接触角接触角也可以判断润湿情况。也可以判断润湿情况。Wa =l-g（1+cos）0Wi =l-g cos 0S=l-g（cos

10、-1） 0 在实际过程中，通常将在实际过程中，通常将作为判据作为判据，900为不润湿，为不润湿， 900为润湿，为润湿， =00或不存在，铺展。或不存在，铺展。越小，润湿性能越好越小，润湿性能越好。 液体与固体的接触角可以液体与固体的接触角可以看成为液体和空气对固体表面看成为液体和空气对固体表面的竞争结果。的竞争结果。(rule)从从Young方程方程g- ll - sg- s-cos 从而可以分析从而可以分析看出，表面能高看出，表面能高的固体表面更加的固体表面更加容易被液体所润容易被液体所润湿。湿。高能固体表面高能固体表面低能固体表面低能固体表面s-g越大表示固体表面能越高，使越大表示固体表

11、面能越高，使cos越大，越大，从而从而越小越小。按照判据可知越容易被液体润。按照判据可知越容易被液体润湿。湿。1.高能表面与自憎高能表面与自憎指指100mN/m的物质。如金属的物质。如金属及其氧化物，硫化物、无机盐等。及其氧化物，硫化物、无机盐等。定定义义原因：由于原因：由于有机液体有机液体被吸附到高能表被吸附到高能表面固体上，形成一种面固体上，形成一种碳氢基朝向空气碳氢基朝向空气的定向排列的的定向排列的吸附吸附膜，从而使膜，从而使原来高原来高能表面变低能表面能表面变低能表面，其临界表面张力，其临界表面张力低于液体的表面张力低于液体的表面张力，以至这种液体，以至这种液体在其自身吸附膜上不能铺展

12、。在其自身吸附膜上不能铺展。原原因因指部分液体即指部分液体即使其表面能远使其表面能远低于固体表面低于固体表面也不能润湿固也不能润湿固体表面的现象。体表面的现象。自憎自憎决定因素决定因素取决于取决于表面外层原表面外层原子团性质和排列。子团性质和排列。润湿性：润湿性：碳氟碳氟碳氢碳氢化合物化合物含杂原子有含杂原子有机物机物金属等无机物。金属等无机物。 低能固体表面低能固体表面：指固体：指固体100mN/m100mN/m的物质。如的物质。如固体有机物及高聚物表面。固体有机物及高聚物表面。2. 高分子固体的高分子固体的润湿性质润湿性质与其与其分子的元素组成分子的元素组成有关。在碳氢链中加入其有关。在碳

13、氢链中加入其它杂原子，高聚物的润湿性能明显改变。氟原子的加入使润湿性降低，它杂原子，高聚物的润湿性能明显改变。氟原子的加入使润湿性降低，c变小；而其它原子的加入则使之升高，它们增进润湿性的能力有如下次序变小；而其它原子的加入则使之升高，它们增进润湿性的能力有如下次序NOIBrClHF 附有表面活性物质分子玻璃或金属的表面显示低能表面的性质，说明附有表面活性物质分子玻璃或金属的表面显示低能表面的性质，说明决定固体润湿性质的是表面层原子或原子团的性质及排列分部，而与内部决定固体润湿性质的是表面层原子或原子团的性质及排列分部，而与内部结构无关。结构无关。观察测量法观察测量法（通过（通过显微镜观察或摄

14、影做显微镜观察或摄影做切线后测量其角度）切线后测量其角度）1.作切线再测量，但切线不容易作准！作切线再测量，但切线不容易作准！斜板法斜板法光反射法光反射法固体板面与液面夹固体板面与液面夹角和接触角相等角和接触角相等不需要作切不需要作切线，但需要线，但需要液体量大液体量大2适用于适用于=90细缝强光照射细缝强光照射三相交界处三相交界处，并转动入射，并转动入射方向，使其反射光方向，使其反射光刚好刚好沿固体表面出射。沿固体表面出射。2.小液滴法小液滴法 在水平的固体表面上放一滴被测液体，其高度为在水平的固体表面上放一滴被测液体，其高度为h h，底宽，底宽为为2r2r，如图所示，当液滴很小时，如图所示

15、，当液滴很小时(10(10-10-10m m3 3) ) 可近似视为球的可近似视为球的一部分，如下关系。一部分，如下关系。)/(r2sin22rhh122/g1cosh 通过通过r、h测定，便可求出接触角测定，便可求出接触角。这种方法除液滴很小。这种方法除液滴很小(消消除重力影响除重力影响)外，还应外，还应保持固体表面的保持固体表面的清洁光滑清洁光滑。122h1sing平衡液滴法平衡液滴法在不断滴加液体，由于重力作用液滴四周摊开，但在不断滴加液体，由于重力作用液滴四周摊开，但又由于又由于重力与张力平衡重力与张力平衡，增加液滴重量，液滴不继，增加液滴重量，液滴不继续摊开，利用续摊开，利用液滴势能

16、与表面能平衡液滴势能与表面能平衡关系测定出关系测定出。 吊片法接触角。要求吊片能被液体很好吊片法接触角。要求吊片能被液体很好地地润湿润湿。测定时把。测定时把试样固体做成吊片试样固体做成吊片，插入，插入待测液中，这时作用于固体吊片的液体表面待测液中，这时作用于固体吊片的液体表面张力张力( (总力总力) )为为LPcos1LPA/ 式中，式中，P为吊片所为吊片所受之力，受之力，L为吊片周长，为吊片周长，1为液体表面张力，又为液体表面张力，又1cos为粘附张力为粘附张力3.接触角测定接触角测定重量测定法重量测定法此法不仅可以测定接触角此法不仅可以测定接触角，而且可以直接测定粘附张力而且可以直接测定粘

17、附张力2.（矿物泡沫浮选）（矿物泡沫浮选）气液对固体的不同润湿性广泛用于冶炼、选矿中，有利气液对固体的不同润湿性广泛用于冶炼、选矿中，有利于有用矿石和无用的矿渣分开于有用矿石和无用的矿渣分开（1）矿石表面能否被水润湿？）矿石表面能否被水润湿？（2）加入收捕剂作用是什么？）加入收捕剂作用是什么？（3）向水中充气形成起泡作用是什么？）向水中充气形成起泡作用是什么？（4）为什么矿物会漂浮在表面？）为什么矿物会漂浮在表面？充气充气固体悬浮颗粒的气浮去除原理固体悬浮颗粒的气浮去除原理 如图所示：当在作业中加入缓蚀剂后，由于缓蚀如图所示：当在作业中加入缓蚀剂后，由于缓蚀剂（剂（表面活性剂表面活性剂双亲分子

18、双亲分子）有能与金属表面形成强）有能与金属表面形成强烈吸附作用的基团结构（亲水基团），而使其相互作烈吸附作用的基团结构（亲水基团），而使其相互作用；缓蚀剂的另一部分基团结构（用；缓蚀剂的另一部分基团结构（疏水基团疏水基团）则伸向）则伸向钻井液中，起到阻止液体与管线接触的机会钻井液中，起到阻止液体与管线接触的机会 ，使得管，使得管线与腐蚀介质隔绝而起到防腐作用。线与腐蚀介质隔绝而起到防腐作用。 如图所示：在作业过程中井筒如图所示：在作业过程中井筒/管线液体循环过管线液体循环过程，没有加入缓蚀剂之前，由于液体中存在水、氧等程，没有加入缓蚀剂之前，由于液体中存在水、氧等腐蚀介质，在与管线接触过程中，会对管线造成严重腐蚀介质，在与管线接触过程中，会对管线造成严重腐蚀而出现作业安全隐患。腐蚀而出现作业安全隐患。新界面膜新界面膜在原油中的天在原油中的天然表面活性剂然表面活性剂岩石表面岩石表面水水油油表面活性剂使地层润湿反转表面活性剂使地层润湿反转注入活性水注入活性水油油注入水中表注入水中表面活性剂面活性剂润湿润湿三种三种情况情况定义定义及能及能量变量变化式化式沾湿沾湿铺展铺展浸湿浸湿 是是l-gl-g界面与界面与s-gs-g界面转变为界面转变为s-ls-l界面的过程。也即固体接触的界面的过程。也即固体接触的气体被液体所取代的过程。气体被液体所取代的过