《润湿与粘附》课件

润湿与粘附润湿与粘附是材料科学中的重要概念。它们对许多应用至关重要，例如涂料、粘合剂和生物材料。课程大纲润湿简介润湿的定义和概念接触角的测量和意义润湿过程的三个阶段影响因素分析表面张力表面能表面粗糙度化学组成表面处理疏水性表面制备亲水性表面制备表面改性技术粘附理论粘附的定义和类型粘附力的影响因素粘附失效与防粘附什么是润湿润湿现象当液体与固体表面接触时，液体在固体表面上的铺展现象称为润湿。亲水性表面液体在固体表面上铺展良好，接触角小于90度，称为亲水性表面。疏水性表面液体在固体表面上不铺展，接触角大于90度，称为疏水性表面。润湿的定义表面接触润湿是指液体与固体表面接触的过程，液体在固体表面铺展的程度。液体与固体润湿涉及液体、固体和气体三相间的相互作用，液体与固体之间的亲和力决定了润湿程度。接触角润湿性通常通过接触角来量化，接触角是指液体与固体界面之间的夹角，数值越小，润湿性越好。润湿过程的三个阶段1接触固体和液体首次接触2铺展液体在固体表面扩散3平衡液体达到稳定状态润湿过程分为三个阶段：接触、铺展和平衡。接触是指液体和固体第一次接触，铺展是液体在固体表面上扩散，平衡是液体达到一个稳定的状态，接触角不再改变。接触角与表面张力的关系接触角是液体与固体表面之间的平衡接触角，表示了液体在固体表面的润湿程度。表面张力是指液体内部的分子间作用力引起的，导致液体表面收缩的趋势。接触角与表面张力之间的关系可以用杨氏方程表示，该方程表明接触角取决于固体表面和液体表面的界面张力。1杨氏方程cosθ=(γsv-γsl)/γlv2γsv固-气界面张力3γsl固-液界面张力4γlv液-气界面张力固-液界面张力固-液界面张力是指固体表面和液体之间相互作用产生的表面张力。它代表了使固体和液体分离所需的能量。固-液界面张力液体分子对固体表面的吸引力液体表面张力液体分子之间的吸引力固体表面张力固体分子之间的吸引力液-气界面张力液-气界面张力是指液体与气体之间存在的一种表面张力，它是由液体分子之间的吸引力引起的。液体表面的分子受到来自内部液体的吸引力，而表面上的分子没有来自外部液体的吸引力，因此它们受到一种向内拉的力，这种力就是表面张力。液-气界面张力的大小取决于液体的性质、温度和环境压力等因素。例如，水的液-气界面张力在室温下约为72.8mN/m，而乙醇的液-气界面张力则约为22.3mN/m。固-气界面张力固-气界面张力是固体表面与周围气体之间的界面张力。它是固体表面分子与气体分子之间的相互作用力导致的。固-气界面张力通常用符号γsg表示。它可以通过Young-Laplace方程来计算，该方程将接触角、液-气界面张力和固-液界面张力联系起来。接触角的测量静态接触角测量静态接触角测量是指液体与固体表面达到平衡状态后的接触角，可以通过接触角仪进行测量。动态接触角测量动态接触角测量是指液体在固体表面上的运动过程中的接触角，可以通过接触角仪或其他仪器进行测量。接触角测量方法常见接触角测量方法包括座滴法、倾斜板法、气泡法等，选择合适的方法取决于测量目标和实验条件。接触角数据分析测量得到的接触角数据需要进行分析和解释，以获得关于表面润湿性的信息。接触角滞后前进角和后退角前进角是指液体在固体表面铺展时，形成的接触角；后退角是指液体从固体表面退却时，形成的接触角。接触角滞后接触角滞后是指前进角和后退角之间的差值，通常表示表面粗糙度和异质性程度。影响因素表面粗糙度、表面化学异质性以及表面污染等因素都会影响接触角滞后。润湿性的影响因素表面处理表面处理可以改变材料的表面性质，从而影响其润湿性。例如，疏水性表面可以通过表面涂层或刻蚀来制备。表面处理还可以改变材料的表面粗糙度，从而影响其润湿性。环境因素温度、压力和溶液的性质都会影响润湿性。例如，高温会降低液体的表面张力，从而使润湿性增加。溶液的pH值也会影响润湿性。例如，酸性溶液会使金属表面更容易被水润湿。表面处理对润湿性的影响1表面清洁表面污染物会影响润湿性，如油脂、灰尘等。清洁表面可以提高润湿性。2表面粗糙度表面粗糙度影响接触角，光滑表面更容易润湿，粗糙表面则相反。3表面化学改性化学改性可以改变表面化学性质，从而改变润湿性。例如，疏水性材料可以被改性为亲水性。4表面镀层镀层可以改变表面性质，例如镀金可以提高导电性，镀银可以提高反射率。疏水性表面制备1表面改性技术表面改性技术通过改变材料表面化学结构，从而达到疏水性的目的。化学气相沉积(CVD)原子层沉积(ALD)等离子体处理2表面粗糙度通过改变材料表面粗糙度，从而达到疏水性的目的。微纳米刻蚀电化学沉积喷涂3生物模仿通过模仿自然界中的疏水性表面，如荷叶表面，从而制备出具有高疏水性的表面。仿荷叶表面结构仿仙人掌表面结构仿蜘蛛网表面结构生物模仿超疏水表面生物模仿超疏水表面是指通过模仿自然界中具有超疏水特性的生物表面来制备人工材料。例如，荷叶表面具有独特的微纳米结构，使得水滴在其表面无法完全浸润，形成了滚动状的“荷叶效应”。亲水性表面制备亲水性表面是指液体在固体表面上的润湿角小于90度，即液体能够在固体表面上铺展。亲水性表面在日常生活和工业生产中都有着广泛的应用，例如，玻璃、陶瓷、塑料等材料。1表面改性通过化学方法改变材料的表面性质，使其具有亲水性。常用的表面改性方法包括等离子体处理、化学镀层、光刻技术等。2材料选择选择本身就具有亲水性的材料，例如，氧化铝、二氧化钛等。3表面处理通过物理方法改变材料的表面粗糙度，使其具有亲水性。常用的表面处理方法包括机械抛光、激光刻蚀等。表面改性技术化学气相沉积(CVD)在高温下，通过气相反应将材料沉积到基底表面。CVD可以控制薄膜厚度和成分，适用于制备各种涂层。等离子体喷涂利用等离子体将粉末材料加热并加速，使其与基底表面发生熔融结合。等离子体喷涂可以制备具有优异耐磨性和耐腐蚀性的涂层。原子层沉积(ALD)通过逐层反应，将原子或分子沉积到基底表面。ALD具有高度的厚度控制性和均匀性，适用于制备纳米级薄膜。其他表面处理技术包括激光刻蚀、离子注入、电化学沉积等。这些技术可以改变表面的化学组成、粗糙度或其他性质，以改变润湿性。表面粗糙度对润湿性的影响表面粗糙度影响接触角粗糙表面会改变液滴与固体之间的接触面积。表面粗糙度影响润湿性粗糙表面会改变接触角的大小，影响材料的润湿性。表面粗糙度影响液体行为表面粗糙度可以使表面更疏水或更亲水，影响液体在表面上的扩散和流动。化学组成对润湿性的影响疏水性含氟或硅烷基材料，表面能低，疏水性强，接触角大。亲水性含羟基或羧基材料，表面能高，亲水性强，接触角小。极性极性材料，如水，与极性表面更容易形成氢键，增强润湿性。分子取向对润湿性的影响疏水性表面疏水性表面上分子倾向于垂直于表面排列，从而减少与水的接触面积，降低润湿性。亲水性表面亲水性表面上分子倾向于平行于表面排列，更容易与水分子形成氢键，提高润湿性。材料本征润湿性固体表面性质材料的化学组成、表面能和表面粗糙度等因素决定了其本征润湿性。分子间力固体表面分子与液体分子之间的相互作用力，如范德华力和氢键，影响着润湿性。极性极性材料更容易被极性液体润湿，非极性材料更容易被非极性液体润湿。什么是粘附粘附是指两个不同物体之间相互吸引并结合在一起的现象。粘附是一种重要的表面现象，在日常生活和工业生产中有着广泛的应用。粘附的定义分子间作用力粘附是指两个不同物体表面之间产生的相互作用力，这种力主要是分子间作用力。表面接触粘附通常发生在两个表面相互接触的时候，例如，胶带粘在物体上，油漆附着在墙上。强度粘附强度是指物体表面之间相互作用力的强度，它通常用单位面积上的力来表示。粘附过程的三个阶段1接触物体表面互相接触，形成相互作用力的前提2吸附分子间作用力导致物体紧密结合，形成初级粘附3扩散分子发生相互扩散，形成更牢固的结合粘附过程是一个复杂的过程，涉及多个物理化学现象。三个阶段之间相互影响，最终决定粘附强度。粘附力的影响因素表面能表面能是材料表面分子所具有的能量，它影响着材料之间的吸引力，进而影响粘附力。表面能越高，材料越容易与其他材料结合，粘附力越强。表面形貌表面的粗糙度和几何形状也会影响粘附力。表面越粗糙，接触面积越大，粘附力越强。表面形貌也会影响接触点的应力分布，进而影响粘附力。表面化学性质材料的化学组成和表面官能团会影响其与其他材料的相互作用。例如，极性表面更容易与极性材料结合，而非极性表面更容易与非极性材料结合。环境因素温度、湿度、压力等环境因素也会影响粘附力。例如，温度升高通常会导致粘附力下降，而湿度升高则可能增强某些材料之间的粘附力。表面能对粘附的影响11.表面能与分子间力表面能是材料表面分子之间相互作用力的体现，高表面能意味着材料具有较强的吸引力。22.吸引力与粘附性高表面能材料与其他材料接触时，会产生较大的分子间吸引力，从而促进粘附。33.极性和分散力表面能由极性和分散力组成，两者均影响粘附性，极性力更强。44.润湿和粘附表面能影响材料的润湿性，润湿性越好，粘附性也越好。表面形貌对粘附的影响粗糙表面表面粗糙度会增加接触面积，从而增强粘附力。例如，粗糙的胶带比光滑的胶带粘性更强。纳米尺度粗糙表面在纳米尺度上，表面形貌可以显著影响粘附力。例如，纳米级凹凸结构可以增强表面之间的接触力，从而提高粘附性。表面化学性质对粘附的影响极性极性表面更容易形成氢键和范德华力，从而增强粘附力。官能团不同的官能团具有不同的化学性质，影响表面能和分子间的相互作用，进而影响粘附力。表面电荷带电荷的表面更容易吸引带相反电荷的物质，增强粘附力。环境因素对粘附的影响湿度湿度会影响表面上的水分子含量，从而影响粘附力。温度温度变化会改变材料的物理性质，例如表面张力和粘性。气压大气压的变化可以影响粘附力，特别是当粘合剂在低压环境中使用时。辐射紫外线等辐射可以降解粘合剂的化学键，从而降低粘附力。粘附失效与防粘附粘附失效粘附失效是指两个表面之间原本存在的粘附力消失或减弱的过程。它会导致表面分离或材料失效。粘附失效通常发生在以下几种情况下：机械应力、热应力、化学降解或表面污染。防粘附为了防止粘附失效，可以使用多种防粘