液体对固体的润湿作用
表面活性剂润湿作用
固体表面上的原子或分子的价键力是未饱和的，与内部原子或分子比较有多余的能量。
所以，固体表面与液体接触时，其表面能往往会减小。
通常，暴露在空气中的固体表面积总是吸附气体的，当它与液体接触时，气体如被推斥而离开表面，则固体与液体直接接触，这种现象称为润湿。
一、润湿过程在清洁的玻璃板上滴一滴水，水在玻璃表面上立即铺展开来；而在石蜡上滴一滴水，水则不能铺展而保持滴状，如图1所示。
从水面与固体面的接触点沿水面引切线，切线与固体面之间的夹角θ称为接触角。
水与玻璃的接触角接近于零，而与石蜡的接触角约为1100。
接触角小的固体易为液体润湿，反之，接触角大的固体则不易被液体润湿。
因此，接触角的大小可作为润湿的直观尺度。
又如，在玻璃板上滴一滴酒精，酒精滴也会在玻璃板上铺展开来，其接触角为零，铺展情形与水的情况没有什么差异。
当固体物质不是玻璃时，其润湿情况有显著不同。
因此，在研究润湿时，接触角是一个重要判据。
为对润湿尺度给以更严格的规定，下面讨论润湿过程。
图1.接触角润湿即固体表面吸附的气体为液体所取代的现象，这就是说发生润湿时，固一气界面消失，形成新的固-液界面。
在这种过程中能量(自由能)必发生变化，自由能变量的大小可作为润湿作用的尺度。
固一气界面消失，新的固-液界面产生有多种方式，所以润湿的类型也相应有多种。
图2为三种类型润湿。
图2(a)为铺展润湿，水、酒精等在玻璃表面上铺展即为这种铺展润湿。
发生这种润湿时能量变化由式一决定：(式一)式中y s——固体的表面张力；Y L——液体的表面张力；Y SL——固体和液体的界面张力；W S——铺展功，亦称做铺展系数。
W S的物理意义从图可以清楚地看出：在固体表面上铺展的液体膜，在逆过程中减少单位面积所需的能量。
经过这种过程后，固体产生lcm2的新表面，同时消失1cm2液体表面和lcm2固-液界面，所以从式一由表面张力和界面张力立即算出W s。
在发生这种润湿的过程中，释放出的能量和W s相等，W s≥0时发生润湿。
3.4 固液界面(润湿作用)解读
接触角的测定
（1）透过高度法 固体粉末装在一以多孔板为底的玻管中，液面在毛细作用 下沿管中粉末柱上升h。
gh
2 l g cos q r
ghr cos q 2 l g
由上式可见，只要测得粉末间孔隙的平均半径 r及透过高度 h，即可结合已知的 l 求 g θ。但由于r值无法直接测定，故常 用一已知表面张力，密度和对粉末接触角 θ为0的液体来标 定。
Wi G ( ls g-s ) Wi 0能浸湿。
浸湿功(work of immersion)
铺展系数(spreading coefficient)
铺展系数(spreading coefficient)
等温、等压条件下，单位面积的液固界面取 代了单位面积的气固界面并产生了单位面积的气 液界面，这过程表面自由能变化值的负值称为铺 展系数，用S表示。若S，说明液体可以在固体 表面自动铺展。
Wa G ( ls gl g-s )
粘附功(work of adhesion)
浸湿功(work of immersion)
等温、等压条件下，将具有单位表面积的固 体可逆地浸入液体中所作的最大功称为浸湿功， 它是液体在固体表面取代气体能力的一种量度。 只有浸湿功大于或等于零，液体才能浸湿固 体。在浸湿过程中，消失了单位面积的气、固表 面，产生了单位面积的液、固界面，所以浸湿功 等于该变化过程表面自由能变化值的负值。
影响接触角测定的因素
除平衡时间和温度外，影响接触角稳定的因素还有接触角滞
后和吸附作用。 （1）接触角滞后 ①前进接触角和后退接触角 前进接触角，以液固界面取代固气界面后形成的接触角为前 进接触角θA，如将固体板插入液体中；后退接触角则相反， 即以固气界面取代固液界面后形成的接触角叫后退接触角，用 θR表示，如水滴在斜玻璃板上，流动可形成前进接触角和后 退接触角。 ②接触角滞后及原因 指前进接触角与后退接触角之差称为接触角滞后（θA-θR）
什么是润湿作用
什么是润湿作用
润湿作用是指液体在与固体接触时，能够在固体表面上形成一层平均和连续的薄液体膜，使固体表面被液体湿润的现象。
润湿作用可以分为沾湿、浸湿和铺展三种类型。
润湿作用是一种流体从固体表面置换另一种流体的过程，在日常生活和生产实际中，如洗涤、印染、矿物浮选等，是最常见的现象之一。
因此，研究润湿现象有极强的现实意义。
此外，润湿作用在表面涂料、化妆品、医疗器械、涂层材料等领域也有广泛应用。
以上信息仅供参考，如有需要，建议查阅相关文献或咨询专业人士。
润湿原理的应用
润湿原理的应用润湿原理是指液体在固体表面的扩展现象，也可以理解为液体与固体之间的相互作用力。
润湿现象广泛应用于生活和工业中的各个方面，以下是润湿原理的一些具体应用。
1. 表面润湿和表面张力：润湿现象可以使一些液体在固体表面上形成一层薄膜，这可以改变物体的表面性质。
例如，在纺织品加工中常用的涤纶功能面料采用了纳米级表面处理技术，通过润湿作用可以使面料具有防水、防油、防污等功能。
2. 渗透和分散：润湿原理可以被应用于渗透和分散过程中。
例如，在化妆品中，通过润湿作用可以使乳液或化妆品更容易渗透到皮肤中，提高吸收效果。
在农业领域，通过润湿作用可以促进植物根系对水分和养分的吸收。
3. 润滑：润滑是润湿原理在机械工程中的一个重要应用。
例如，在机械设备中润滑油或润滑脂能够减少机械零件之间的摩擦，降低能量损耗，并延长设备的使用寿命。
4. 涂层和印刷：通过润湿作用可以实现涂层和印刷工艺的精确控制。
在印刷过程中，墨水会通过润湿作用在印刷版与印刷媒介之间形成一层薄膜，从而实现传递。
在涂层过程中，涂料通过润湿作用可以均匀地附着在物体表面上，提供保护和装饰功能。
5. 表面改性：润湿原理可以通过表面改性实现多种功能。
例如，在材料科学领域，通过表面润湿作用可以提高材料的粘附性、耐磨性、耐腐蚀性等性能。
在光学和电子器件制造中，利用润湿现象可以改善材料的光学透明度和电子性能。
6. 微流控系统：微流控系统是一种利用微米级通道和润湿原理来控制微小流体流动的技术。
该技术被广泛应用于生物医学、化学分析和生物化工等领域。
微流控系统可以通过控制流体在不同通道中的润湿程度来实现样品的分离、混合和传感。
总的来说，润湿原理的应用十分广泛，涉及到生活的各个方面，如化妆品、纺织品、涂层和印刷、机械工程、材料科学等。
润湿现象的研究和应用不仅能改善材料的性能，还可以推动科技的发展，并为人们提供更便利、高效和可持续的生活方式。
请叙述润湿的原理
请叙述润湿的原理润湿是指在两种不同状态的物质接触面上，液体在固体表面上均匀分布形成的情况。
具体而言，润湿是液体在固体表面上产生的一种现象，液体在这种情况下倾向于展开并保持与固体表面直接接触的状态，而不是形成球状。
润湿现象是由一系列的物理和化学因素共同作用形成的，涉及表面张力、表面能、接触角等多个因素。
润湿的原理可以从两个方面来解释：表面张力和界面能。
首先，表面张力是润湿现象的主要原理之一。
液体分子有一种相互间吸引的力，称为相互吸引力。
在液体的内部，所有的液体分子都受到周围分子的吸引力。
然而，在液体表面，分子只能被同侧和对面的液体分子吸引，而不能被周围的气体或固体分子吸引。
因此，液体表面的分子之间会形成一个类似于薄膜的结构，这种现象称为表面张力。
当液体接触到一个固体表面时，如果液体分子与固体表面的相互吸引力比内部分子之间的吸引力强，液体会在固体表面上均匀分布，形成润湿。
其次，润湿还与固体表面的界面能有关。
固体表面的界面能是指单位面积上液体分子在与固体接触时要克服的能量。
在液体接触到固体表面时，如果液体分子要克服的界面能小于它们自身的内部吸引力，液体就会在固体表面上润湿。
当液体分子能够克服固体表面的界面能时，它们与固体表面更稳定地接触，这种情况下接触角会较小。
相反，如果液体分子要克服的界面能大于内部吸引力，液体就无法润湿固体表面，形成一个水滴或球状体，接触角较大。
还可以从接触角的角度来解释润湿现象。
接触角是由液滴与固体表面之间形成的一个界面，它与固体表面的界面能有关。
接触角越小表示固体表面越容易被液体湿润，液体分子在固体表面上均匀分布的可能性就越大。
相反，接触角越大表示固体表面越不容易被液体湿润，液体形成球状的可能性就越大。
综上所述，润湿是由表面张力和界面能共同作用形成的。
液体在和固体表面接触时，如果液体分子的吸引力和克服固体表面界面能的能力均较强，液体就会在固体表面上润湿。
润湿现象在自然界和生活中起着重要的作用，例如润湿现象在染料、薄膜涂层、液滴形状控制等领域有着广泛的应用。
第四章 固-液界面-北航-表面与界面化学教程
A 2 r r , A( s l g l g s ) 2 r r ( s l g l g s )
Vg h
2
Vg h
2
V 0, Ahm Ah 2 r rhm r 2 h 2 r r
粗糙因子（粗糙度）：是固体的 真实表面积与相同体积固体假想 的平滑表面积之比。显然，r大 于等于1. r越大，表面越粗糙。
Wenzel方程的重要性是说明了表面粗糙化对接触角的 影响： • < 90°, ’< ,表面粗糙化使接触角变小，润湿性 更好。 • > 90°, ’> , 表面粗糙化会使润湿的体系更不 润湿。 • 揭示了均相粗糙表面的表观接触角与本征接触角之间 的关系 • 注意：Wenzel方程只适用于热力学稳定的平衡状态， 但由于表面不均匀，液体在表面上展开时需要克服一 系列由于起伏不平而造成的势垒。当液滴振动能小于 这种势垒时，液滴不能达到Wenzel方程所要求的平 衡状态而可能处于某种亚稳平衡状态。
180 ,Wa 0
90 , A 0
沾湿自发进行 浸湿自发进行 铺展自发进行
0 ,S 0
实用时，以90°为界：
若接触角大于90°，说明液体不能润湿固体， 如汞在玻璃表面； 若接触角小于90°，液体能润湿固体，如水 在洁净的玻璃表面。 若接触角等于0°或不存在平衡接触角时，说 明液体能铺展 渗透过程？？？
当固体表面由不同种类的化学物质组成时，如污染或多晶？？ （2）Cassie模型 Cassie和Baxter进一步拓展了Wenzel的处理，提出 可以将粗糙不均匀的固体表面设想为一个复合表面，即认 为液滴在粗糙表面上的接触是一种复合接触。 设固体表面有物质1和2组成，这两种不同成分的表面是 以极小块的形式均匀分布在表面上的（每一小块的面积远 小于液滴的尺寸）。它们的本征接触角分别用1和 2表示， 在单位面积上所占的表面积分数分别为f1和f2(f1+f2=1)。 又设当液滴在表面展开时两种表面所占的分数不变。这时 可得到：
润湿性的定义及测定方法
润湿性的定义及测定方法
润湿性是指液体在与固体接触表面上的吸附现象，即液体在接触角范
围内与固体之间的相互作用。
润湿性是表征液体与固体接触的性质，直接
影响液体在固体表面的传输、扩散和吸附等过程。
润湿性的好坏取决于液
体与固体之间相互作用力的强弱，主要包括附着力和内聚力。
润湿性的测定方法一般分为两种：
1.静态接触角法：
静态接触角法是通过测量液滴与固体表面之间的接触角来评估润湿性。
液滴在固体表面上形成一个接触角，接触角的大小直接反映了液体与固体
之间的相互作用力。
接触角的大小与液滴在表面上的扩散能力呈负相关，
即接触角越小，润湿性越好。
常用的测量方法有静态接触角法、动态接触
角法和测量接触角动力学方法。
2.液滴扩展性法：
液滴扩展性法是通过测量液滴在固体表面扩展的面积来评估润湿性。
液滴在固体表面上展开时，其半径会逐渐增大，液滴面积也会随之增大。
液滴表面积的增长速率越快，润湿性越好。
可通过光学方法或图像处理技
术来测量液滴的扩展面积。
除了以上两种常用的测量方法外，还有一些其他的润湿性测定方法，
如悬滴法、旋转浆粒法、薄膜侵润法等。
这些方法在实际应用中根据具体
情况选择合适的测量方法。
总结起来，润湿性的测定方法主要有静态接触角法和液滴扩展性法。
这些方法可以通过测量接触角的大小或液滴在固体表面扩展的面积来评估
液体与固体之间的相互作用力，从而判断润湿性的好坏。
这些方法在各种领域中广泛应用，如材料科学、化工、医学等领域，对于改善液体在固体表面上的传输和吸附过程具有重要意义。
沾湿浸湿铺展三种润湿作用及接触角相关问题
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。
1、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。
Asl sg A W G =-+=∆-γγγlg （黏附功）当W A>0时，沾湿过程才是自发的。
固－液界面取代液－气界面和气－固界面的过程2、铺展液体在固体表面展开成薄层，此过程称为铺展。
铺展是固气界面消失，气液界面和固液界面形成的过程。
SG sl gs s =--=∆-γγγlg （铺展系数）铺展系数S>0，过程自发进行。
3、浸湿固体浸于液体中的过程称为浸湿。
此过程是固气界面被固液界面取代，气液界面无变化，此过程自由能变化为Isl sg I W G =-=∆-γγ（浸润功）WI>0，过程自发进行。
二、接触角与Young 方程将一液体滴到一平滑均匀的固体表面上，若不铺展，将形成一平衡液滴，其形状由固液气三相交界面处所作气液界面之切线经液滴至固液界面所成之夹角决定，此角称为该种液体在所研究固体表面上之接触角，或称润湿角。
接触角常以θ表示。
γθ< 90︒θ> 90︒•接触角θ与各个界面张力θγγγcos lg =-sl sg该式称为Young 方程或润湿方程。
θ越小，润湿过程越易进行。
习惯上，θ>90℃, 为不润湿 θ<90℃, 为润湿三.决定和影响接触角大小的一些因素 1.物质的本性对于指定的固体，液体表面张力越小，其在该固体上的θ也越小。
对于同一液体，固体表面能越大，θ越小。
θ反应了液体与固体表面亲和作用大小，亲和力越强越易于在表面上展开， θ越小。
2.接触角滞后现象若液体与固面无相对运动时，所形成的两个接触角是相等的即平衡接触角θe ；若液体与固体发生相对运动时，则会形成两个不同的接触角。
较大的θa 称为前进接触角，较小的θr 称为后退接触角。
这种θa ＞θr 的现象称为接触角滞后。
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表面粗糙度的影响
将一液滴置于一粗糙表面，
有
r(gsls)glco's
或
c
os '
r(gs ls) gl
此即Wenze1方程，是Wenzel于1936年提出来的。式中r 被称为粗糙因子，也就是真实面积与表观面积之比；θ’ 为某种液体在粗糙表面上的表观接触角。
大多数有机液体在抛光的金属表面上的接触角小于 90°，因而在粗糙金属表面上的表观接触角更小。纯水 在光滑石蜡表面上接触角在105°~110°之间，但在粗 糙的石蜡表面上，实验发现θ’可高达140°。 注意：Wenzel方程只适用于热力学稳定平衡状态。
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固体表面的润湿性和临界表面张力
❖ 低能表面与高能表面 从润湿方程来看，只有固体表面能足够大才能被液体所润湿， 要使接触角为零，则rgs必须等于或大于rls与rgl之和。rgs虽不 易得到，但可以肯定rgs必须大于rgl才有被该液体润湿的可能。 一般常用液体的表面张力都在100mN.m-1以下，便以此为界 将固体分为两类：一类是高能表面，其表面能高于 100mN.m-1的固体；另一类是低能表面，其表面能低于 100mN.m-1的固体。
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❖ 光反射法
用强的光源通过狭缝，照射到三相交界处，改变入射光的方向， 当反射光刚好沿着固体表面发出时，可以根据入射光与反射
光的夹角2 计算接触角。
2
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非理想固体表面上的接触角 一般固体表面，由于： （l）固体表面本身或由于表面污染（特别是高能表面）， 固体表面在化学组成上往往是不均一的； （2）因原子或离子排列的紧密程度不同，不同晶面具有不 同的表面自由能；即使同一晶面，因表面的扭变或缺陷， 其表面自由能亦可能不同； （3）表面粗糙不平等原因，一般实际表面均不是理想表面， 给接触角的测定带来极大的困难。
若Wi≥0，则ΔG≤0，过程可自发进行。 Wi越大，则液体在固体表面上 取代气体的能力愈强。
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铺展 置一液滴于一固体表面。恒温恒压下，若此液滴在固体表面上自动展开
形成液膜，则称此过程为铺展润湿。体系自由能的变化为
Ggllsgs
或
S G g s g l ls
S称为铺展系数，S>0是液体在固体表面上自动展开的条件。
粘湿： W a G g(1 lc o) s0
1800
Wa 0
浸湿：
W i G gc l o s0
900
Wi 0
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铺展：
S Gg(l co1 s)
其中，θ=0或不存在，S≥0 。
根据上面三式，通过液体在固体表面上的接触角即可 判断一种液体对一种固体的润湿性能。
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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。
W a G g s g l ls
从式知γsl越小，则Wa越大，液体越易沾湿固体。若 Wa≥0， 则ΔG≤0，沾湿过程可自发进行。
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3
浸湿
浸湿是将固体完全浸入到液体中的过程，如将衣服浸泡在水中。 浸湿过程引起的体系自由能的变化为
Glsgs
如果用浸润功Wi来表示，则是
W i Ggsls
第六章 液体对固体的润湿作用
润湿的类型
润湿是一种流体从固体表面置换另一种流体的过程。最
常见的润湿现象是一种液体从固体表面置换空气，如水在玻 璃表面置换空气而展开。
在日常生活及工农业生产中，有时需要液固之间润湿 性很好，有时则相反。如纸张，用做滤纸时，要求水对其润 湿性好；包装水泥用的牛皮纸，则因水泥需要防水，要求水 对其不润湿。
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5
V
L
S
图 液体在固体表面的铺展
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6
注意:上述条件均是指在无外力作用下液体自动润湿固体表 面的条件。有了这些热力学条件，即可从理论上判断一个 润湿过程是否能够自发进行。但实际上却远非那么容易， 上面所讨论的判断条件，均需固体的表面自由能和固一液 界面自由能，而这些参数目前尚无合适的测定方法，因而 定量地运用上面的判断条件是有困难的。尽管如此，这些
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如果将式与接触角计算公式比较，可得
r cos ' c os
对于粗糙表面，r总是大于1。
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因此： （1）θ＜90°时，θ’＜θ，即在润湿的前提下，表 面粗糙化后θ’变小，更易为液体所润湿。 （2）θ＞90°时，θ’ ＞θ，即在不润湿的前提下， 表面粗糙化后θ’变大，更不易为液体所润湿。
判断条件仍为我们解决润湿问题提供了正确的思路。
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7
接触角和 Young方程
将液滴（L）放在一理想平面（S）上如果有一相是气体，则接触角
是气一液界面通过液体而与固一液界面所交的角。1805年，Young指出，
接触角的问题可当作平面固体上液滴受三个界由张力的作用来处理。当
三个作用力达到平衡时，应有下面关系
gsglcosls
或
cos gs ls
gl
这就是著名的Young方程。式中γsg和γlg是与液体的饱和蒸气成平衡时
的固体和液体的表面张力（或表面自由能）。
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8
g
γlg
θ
L
S
γsl
γ
液滴在固体表面的接触角
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9
接触角是实验上可测定的一个量。有了接触角的数 值，代入润湿过程的判断条件式，即可得：
1930年Osterhof和Bartell把润湿现象分成沾湿、浸湿和 铺展三种类型。
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1
沾湿
沾湿：将气液界面与气固界面变为液固界面的过程。 沾湿引起体系自由能的变化为：
Glsg sgl
式中，γls，γgs和γgl分别为单位面积固一液、固一气和液 一气的界面张力。
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2
沾湿的实质是液体在固体表面上的粘附，沾 湿的粘附功Wa为
实用时，通常以900为界： θ>900，不润湿； θ<900，润湿； θ=00，或不存在时，铺展；
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12
接触角的测定
❖ 躺滴或贴泡法 直接观测处在固体平面上的液滴或贴泡外形，再用量角器测θ
角。液滴或贴泡的外形也可投影或摄像后，在照片上直接测 量θ角。
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13
❖ 斜板法
当固体平板插入液体中，在三相交界处会保持一定的接触角。 改变插入的角度，直到液面与平板接触之处一点也不弯曲， 此时板面与液面之间的夹角为接触角。
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20
一般无机固体，如金属及其氧化物，硫化物卤化物及各种无 机盐的表面能较大，属高能表面。它们与一般液体接触后， 体系自由能有较大的降低，能为这些液体润湿。