第五章固液界面.
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固液界面
W黏附 S G L g S L
(4-9)
与Young方程结合，得： W黏附 LG (1 cos ) (4-10)
第四节 Young-Dupre公式
若θ=00，则：
W黏附 2 LG
(4-7)
黏附功等于液体的内聚功，固体被液体完全润湿。
若 1800 , 则
第一节 Young方程和接触角
s
P
(l/g)
N
M
(s/g) O
O
(s/l)
接触角（润湿角）
由接触点O沿液—气界面作的切线OP与固— 液界面ON间的夹角 称为接触角或叫润湿角。
当液体对固体润湿达平衡时，则在O点处 必有： (s / g) (s / l) (l / g) cos (4-1) 此式称为杨氏(Young)方程。
(4-2)
（3）不润湿： sg sl时， 0,90 180。 cos 固体不能为液体所润湿；
=0，完全润湿并铺展,薄膜
0< < 90—润湿；棱镜状 一般
90 < < 180—不润湿；平底球状，半球状
=180，完全不润湿，球状
润湿作用应用
1.金属基复合材料 2.超疏水界面材料 3.日常生活中的应用
表面现象
水滴 蜡质层
微细突起
润湿作用应用
莲 花 效 应 主 要 是 指 莲 叶 表 面 具 有 超 疏 水 (superhydrophobicity)以及自洁(self-cleaning)的特性。
水黾腿部特殊的微纳米结构。这种结构使水 黾腿部周围被一层空气垫环绕，防止其腿 部被水打湿，从而保证了水黾具有“水上 飞”的能力。
第一节 Young方程和接触角
第五章表面与界面第一讲
关的属性。
(3)与两种材料间的封接和结合界面间的啮合和结合 强度有关。
表面裂纹
表面裂纹因晶体缺陷或外力而产生。表面裂纹在
材料中起着应力倍增器的作用，使位于裂纹尖端 的实际应力远大于所施加的应力。格里菲斯关于Biblioteka 微裂纹的公式：c
2 E c
固体的表面能
定义：在恒温恒压下形成单位新表面所需要的最大功
[110] [112] [111]
周期
图5.1.2Pt铂（557）有序原子台阶表面示意图
（2） 弛豫表面 (图5.1.3，图5.1.4 ) 由于固相的三维周期性在固体表面处突 然中断，表面上原子产生的相对于正常位置 的上、下位移，称为表面弛豫。 0.1A
0.35A
图5.1.3 弛豫表面示意图
图5.1.4 LiF(001)弛豫 表面示意图， Li F
晶界的特性 晶界上由于原子排列的不规则而造成结构比较疏松， 因而也使晶界具有一些不同于晶粒的特性 ： （1）晶界较晶粒内部容易受腐蚀(热腐蚀、化学腐蚀)； （2）在多晶体中，晶界是原子(或离子)快速扩散的通 道； （3）晶界上容易引起杂质原子(或离子)的偏聚； （4）晶界处的熔点低于晶粒的熔点； （5）晶界成为固态相变时优先成核的区域 ； （6）晶界可以阻止位错的移动、增加滑移的困难。
5.3.2 相界结构的分类：
共格相界:界面两侧的晶体具有非常相似的结构 和类似的取向，越过界面原子面是连续的 半共格相界:晶面间距比较小的一个相发生应变， 在界面位错线附近发生局部晶格畸变。 非共格相界:界面两侧结构相差很大且与相邻晶 体间有畸变的原子排列。
表面与界面
看看它们分别是什么类型相界面？
清洁表面是指不存在任何吸附、催化反 应、杂质扩散等物理化学效应的表面。这
材料物理化学-第五章 表面与界面
材料物理化学
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④n↑或↓ 三、吸附与表面改性 吸附：新鲜的固体表面能迅速地从空气中吸附气体或其它物质来降低其表面能。吸附是 一种物质的原子或分子附着在另一种物质表面现象。 表面改性：通过改变固体表面结构状态和官能团。 表面活性剂：降低体系的表面（或界面）张力的物质。
5.3 无机材料的晶界与相界
液体
开 the contact 两相的化学性能或
F 为润湿张力，θ为润湿角（接触角 angle），由于 所以，润湿先决条件是γSV>γS或γSL很小，当固液 化学结合方式很接近时，是可以满足这一要求。
材料物理化学
固
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改变γSV——减少氧化吸附膜； 改变γSL——两相组成相似； 改变γLV——液体中加入表面活性剂 ⑶浸渍润湿 浸渍润湿指固体浸入液体中的过程。
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第五章
表面与界面
表面的质点由于受力不均衡而处于较高的能阶。这就使物体表面呈现一系列特殊的性 质。高分散度物系比低分散度物系能量高得多，必然使物系由于分散度的变化而使两者在物 理性能（如熔点、沸点、蒸气压、溶解度、吸附、润湿和烧结等）和化学性质（化学活性、 催化、固相反应）方面有很大的差别。随着材料科学的发展，固体表面的结构和性能日益受 到科学界的重视。随着近年来表面微区分析、超高真空技术以及低能电子衍射等研究手段的 发展，使固体表面的组态、构型、能量和特性等方面的研究逐渐发展和深入，并逐渐形成一 门独立学科——表面化学和表面物理。 表面与界面的结构、性质，在无机非金属固体材料领域中，起着非常重要的作用。例如 固相反应、烧结、晶体生长、玻璃的强化、陶瓷的显微结构、复合材料都与它密切相关。 表面：—个相和它本身蒸汽（或真空）接触面称之。 界面：—个相与另一个相（结构不同）接触的分界面称之。 相界：指具有不同组成或结构的两固相间的分界面。 晶界：是指同材料相同结构的两个晶粒之间的边界。 习惯上把液-气界面、固-气界面称为液体表面和固体表面。表面可以由一系列的物理化 学数据来描述（表面积、表面组成、表面张力、表面自由能、熵、焓等），表面与界面的组 成和结构对其性能有着重要的影响。 表面与界面起突出作用的新型材料，如薄膜、多层膜、超晶格、超细微粒与纳米材料等 发展如日中天。
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④n↑或↓ 三、吸附与表面改性 吸附：新鲜的固体表面能迅速地从空气中吸附气体或其它物质来降低其表面能。吸附是 一种物质的原子或分子附着在另一种物质表面现象。 表面改性：通过改变固体表面结构状态和官能团。 表面活性剂：降低体系的表面（或界面）张力的物质。
5.3 无机材料的晶界与相界
液体
开 the contact 两相的化学性能或
F 为润湿张力，θ为润湿角（接触角 angle），由于 所以，润湿先决条件是γSV>γS或γSL很小，当固液 化学结合方式很接近时，是可以满足这一要求。
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固
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改变γSV——减少氧化吸附膜； 改变γSL——两相组成相似； 改变γLV——液体中加入表面活性剂 ⑶浸渍润湿 浸渍润湿指固体浸入液体中的过程。
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表面与界面
表面的质点由于受力不均衡而处于较高的能阶。这就使物体表面呈现一系列特殊的性 质。高分散度物系比低分散度物系能量高得多，必然使物系由于分散度的变化而使两者在物 理性能（如熔点、沸点、蒸气压、溶解度、吸附、润湿和烧结等）和化学性质（化学活性、 催化、固相反应）方面有很大的差别。随着材料科学的发展，固体表面的结构和性能日益受 到科学界的重视。随着近年来表面微区分析、超高真空技术以及低能电子衍射等研究手段的 发展，使固体表面的组态、构型、能量和特性等方面的研究逐渐发展和深入，并逐渐形成一 门独立学科——表面化学和表面物理。 表面与界面的结构、性质，在无机非金属固体材料领域中，起着非常重要的作用。例如 固相反应、烧结、晶体生长、玻璃的强化、陶瓷的显微结构、复合材料都与它密切相关。 表面：—个相和它本身蒸汽（或真空）接触面称之。 界面：—个相与另一个相（结构不同）接触的分界面称之。 相界：指具有不同组成或结构的两固相间的分界面。 晶界：是指同材料相同结构的两个晶粒之间的边界。 习惯上把液-气界面、固-气界面称为液体表面和固体表面。表面可以由一系列的物理化 学数据来描述（表面积、表面组成、表面张力、表面自由能、熵、焓等），表面与界面的组 成和结构对其性能有着重要的影响。 表面与界面起突出作用的新型材料，如薄膜、多层膜、超晶格、超细微粒与纳米材料等 发展如日中天。
3.5 固液界面(吸附作用)
1.固液吸附的本质和特点
1）本质 是由于固体表面分子对液体分子的作用力大于液体 分子间的作用力而引起的。液体分子在此力的作用 下，向固体表面富集，同时降低表面张力。 2）特点 a、分子间作用力比气相大； b、相互作用力较复杂； c、杂质将影响吸附结果；d、吸附平衡比气相慢； e、以物理吸附居多； f、实验方法简单。
双电层模型
• 图上画出被化学吸附的去水化负离子，它的中心连线形 成的平面称为内赫姆霍茨平面，以 IHP 表示。而由于 静电作用吸附在表面上的水化正离子的中心连线形成的 平面称为外赫姆霍茨平面，以 OHP 表示。在此以内至 电极表面称为紧密层，在此以外延伸至本体溶液，称为 扩散层，扩散双电层即由紧密层和扩散层共同构成。其 电势分布如上图右所示。其中 ψ 为热力学电势， ζ(Zeta) 称为扩散层电势，(ψ-ζ) 为紧密层电势。
1 1 2 2
若以 n , n 表示1g吸附剂在组分1和2的纯饱和蒸 汽中吸附的单层饱和吸附量。即
s 0 1 s 0 2
自浓溶液中的吸附
S1 n
s 1
S
n
s 1 0
0
,S 2
s 2
S
n
s 2 s 1
0
n
s 1
n
n
s 2
0
1, n n
s 1
0
n x n x2 n x x2 n x2
0
n x2 s s s s s n2 x1 n1 x2 n2 n1 n2 x2 m
自浓溶液中的吸附
n0 x2 x2 m 0 n x2 0 x2 x2 , 0 m 0 n x2 0 x2 x2 , 0 m 0 n x2 0 x2 x2 , 0 m
第五章 固液界面培训资料
第五章固液界面第五章固-液界面要求：掌握Young 方程和接触角；了解粘附功和内聚能，Young-Dupre公式，接触角的测定方法，接触角的滞后现象，以及固体表面的润湿过程；理解固液界面的电性质，即扩散双电层理论，包括:Gouy-Chapman理论，Debye-Hukel对Gouy-Chapman公式的近似处理，Stern对Gouy-Chapman和Debye-Hukel理论的发展；理解动电现象，平面双电层之间的相互作用，球状颗粒之间的相互作用；掌握新相形成，即成核理论，以及促进成核的方法。
§5.1 Young方程和接触角1、固体表面的润湿固体被某种液体润湿或不能润湿，叫亲某种液体或疏（憎）某种液体，例如：亲水性（疏油性，疏气性）；亲油性（亲气性，疏水性）。
根据水对固体表面的亲、疏性大小，水滴在固体表面，会出现如图5-1所示三种情况。
2、润湿性的度量——润湿接触角θ三相接触周边：液滴在固体表面，会存在固液气三相接触线，将液滴在固体表面铺展平衡时的固液气三相接触线叫三相平衡接触周边。
σ和平衡接触角或接触角θ：三相平衡周边任意一点上的液气界面张力lg σ之间的夹角，叫润湿接触角θ，如图5-2所示。
液固界面张力ls Array图5-2 润湿接触角示意图接触角θ可定量描述固体被液体润湿的大小，接触角越小，润湿性越好，接触角越大，润湿性越差。
一般分下面三种情况：（1）θ< 90o 时：被润湿，润湿过程对外做功，有放热现象； （2）θ= 90o时：中等，无现象；（3）θ> 90o 时: 不被润湿，外界对系统做功，有吸热现象。
3、Young 方程如图5-2 所示，润湿周边任意一点上，当润湿达平衡时，其在水平方向上的受力合力应为零，则应有：0cos lg =-+sg ls σθσσθσσσcos lg +=ls sg （5-1）上述方程即为Young 方程，它是研究固液润湿作用的基础方程。
第四章--固液界面
如图5-7所示，设一根纤维浸在某液体中，纤维的另一端挂在电子天 平的测量臂上。用升降装置使液面逐渐下降。纤维经(b)状态脱离液 面，在纤维脱离液面的瞬间，电子天平测出该变化过程中力的变化 P，由记录仪记下如图5-8的曲线。
如果液体完全润湿纤维，则 P = 2rL 式中r为纤维半径。 若选用半径已知金属纤维，使液体能够完全润湿纤维，则测出
4.4 接触角的测定方法 4.4.1 停滴法（图4-5）
图4-5 停滴法测接触角
将液滴视作球形的一部分，测出液滴高度h和2r， 由简单几何分析求出θ：
sin = tan =
2hr h r
2 2
(4 -1 3 ) (4 -1 4 )
2hr r h
2 2
接触角测定仪
仪器结构主要由光源、工作台、底座、放大镜、滴液 器等部分组成
液滴在固体表面 上形成如图4—2所 示的形状，这时系 统达到最小自由焓 状态。假定液滴足 够小，重力影响可 以忽略，现液体发 生一个小的位移， 使各相界面的面积 变化分别为dASL、 dASG、dALG，则
图4-2 Young方程的推导
从能量观点推导Young方程（如图4-2）
系统自由焓的变化
d G L G d A L G S G d AS G S L d AS L
① 具有OH， COOH等极性基的有机物，与水分子吸引较强，它们与 水接触后，在水面上能自动铺展，有较大的铺展系数。 ② 碳氢化合物及其被卤素取代后的衍生物，因分子的极性减弱，因而铺 展系数也较小。 ③ 对于石蜡、溴仿这些极弱的极性键和非极性键物质，与水吸引力很 小，不能在水面上铺展，所以铺展系数为负值。
4-3 Young-Dupre公式
固液界面化学反应机理
固液界面化学反应机理固液界面化学反应是指在固液界面上进行的化学反应。
它具有重要的应用价值，如在能源转换、环境控制、材料制备、生命科学等领域。
固液界面化学反应的机理包括吸附、表面化学、界面扩散、反应动力学等多个方面。
一、吸附过程在固液界面化学反应中，吸附过程是首先发生的。
吸附是指分子或离子与一种固体表面相互作用以形成一个化学吸附层的过程。
吸附现象对于固液界面化学反应机理的研究至关重要。
吸附过程可以通过浸润实验和吸附等温线来研究。
具体而言，浸润实验是通过将液体缓慢滴入固体表面，观察其润湿情况来确定吸附现象。
而吸附等温线则是通过测量在一定温度下吸附剂与固体表面吸附的平衡浓度，获得吸附等温线。
二、表面化学表面化学是指化学在分界面或界面区域中发生的各种化学反应。
此处的“化学反应”包括化学键的形成与断裂、化学吸附等等。
这些反应很大程度上影响了固液界面的性质。
表面化学方法可以通过表面活性剂和表面电荷密度的研究来表征，也可以通过X射线光电子能谱等技术来研究。
三、界面扩散界面扩散是指在固液界面上，溶液中的物质从液相向固相的扩散过程。
固液界面中存在着液相分子和固相分子间的接触，因而使得溶液中的物质向固相扩散。
界面扩散过程对于固液界面化学反应过程的影响非常明显，因此，在固液界面化学反应论文中几乎都会涉及界面扩散。
四、反应动力学反应动力学是指化学反应过程中，反应物消耗或生成的速度以及化学反应机制的研究。
在固液界面化学反应中，反应动力学是研究液-固反应过程速率的一个方面。
它的研究旨在了解物质扩散和反应速率的规律，提高反应速率和反应效率并探究化学反应的机理。
总之，固液界面化学反应机理的研究对于理解固液界面交互作用、提高反应速率和效率以及探究化学反应机理方面具有重要的实用价值。
在固液界面化学反应的研究中，需要系统的考虑吸附、表面化学、界面扩散和反应动力学等多个方面。
3.4 固液界面(润湿作用)
影响接触角测定的因素
b.表面不平 表面不平也是造成接触角滞后的主要因素， 若将一玻璃粗化后，将一水滴滴在倾斜玻璃上， 则出现接触角滞后。 Wenzel研究了固体表面粗度对润湿性的影响， 他指出，一个给定的几何面经粗化后，必然使 表面积增大，若以r表示粗化程度，则
r=A（真实）/A （表观）
影响接触角测定的因素
3.3 固—液界面（润湿作用）
在等温等压条件下，单位面积的液面与固体 表面粘附时对外所作的最大功称为粘附功，它是 液体能否润湿固体的一种量度。粘附功越大，液 体越能润湿固体，液-固结合得越牢。 在粘附过程中，消失了单位液体表面和固体 表面，产生了单位液-固界面。粘附功就等于这个 过程表面吉布斯自由能变化值的负值。
接触角的测定
（4）光点反射法 原理是利用一个点光源照射到小液滴上，并在光源 处观察反射光，当入射光与液面垂直时，才能在液面 看到反射光。测定时，使光点落在三相点位，并以此为 中心，改变入射光角度，使之在固体表面的法平面中作 圆周运动，当光线在某位置突然变亮时，入射光与固体 平面法线的夹角即为接触角，此方法有较好的测量精度， 可用于测定纤维的接触角，缺点是只能测定小于90°的 接触角。
固体的润湿性质
2、低能表面的润湿性质
近年来，随着高聚物的广泛应用，低能表面的润湿 问题越来越引起人们的重视，如某些高聚物做成的生 产用品和生活用品，就要求其能很好地为水所润湿（ 加入某些无机氧化物可能是有效的办法），塑料电镀， 降解等也需要解决润湿问题。 Zisman等人首先发现，同系列液体在同一固体表面 的润湿程度随液体表面张力的降低而提高（γ ↓ ， θ ↑ ，COSθ ↑，S=γ gl(COSθ -1)若以COSθ 对γ gl 作图，
gh 2 sin q 1 2 l g
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4、润湿过程的比较
以上三种润湿发生的条件可归纳如下：
粘附润湿：
浸润： （5-8）
铺展润湿：
讨论：
§5.4接触角的测定方法
接触角的测定方法很多，主要有以下几种。
1、停滴法
在光滑、均匀、水平的固体表面上放一小液滴，因液滴小，重力作用可忽略。将液滴视作球形一部分，测出液滴高度h与底宽2r（见图5-5）。有简单的几何分析可求出θ。
θ h
2r
图5-5停滴法测接触角
2、气泡法测接触角
将光滑、均匀、水平的固体表面放在液体中，在固体表面下方滴入一小气泡，通过显微放大作图法可测接触角，如图5-6所示。
若固体面积为A，则浸湿过程中系统自由焓变化为：
为浸润功，它的大小反映液体在固体表面上取代气体的能力。令 ，称A为粘附张力。由热力学平衡准则可知，只有 的过程才能发生浸润。 时不能浸湿，这时密度小于水的固体将浮于水面，密度大的，将沉于水底，取出后可发现没有被水浸润。这是因为粘附张力为负值，液体分子与固体表面的粘附力小于液体分子自身的内聚力之故。
第五章固-液界面
要求：掌握Young方程和接触角；了解粘附功和内聚能，Young-Dupre公式，接触角的测定方法，接触角的滞后现象，以及固体表面的润湿过程；理解固液界面的电性质，即扩散双电层理论，包括:Gouy-Chapman理论，Debye-Hukel对Gouy-Chapman公式的近似处理，Stern对Gouy-Chapman和Debye-Hukel理论的发展；理解动电现象，平面双电层之间的相互作用，球状颗粒之间的相互作用；掌握新相形成，即成核理论，以及促进成核的方法。
2、润湿性的度量——润湿接触角θ
三相接触周边：液滴在固体表面，会存在固液气三相接触线，将液滴在固体表面铺展平衡时的固液气三相接触线叫三相平衡接触周边。
平衡接触角或接触角θ：三相平衡周边任意一点上的液气界面张力 和液固界面张力 之间的夹角，叫润湿接触角θ，如图5-2所示。
θ
图5-2润湿接触角示意图
讨论：标出下列图中的润湿接触角。
3、铺展浸润过程
如图5-11所示，铺展润湿是液体与固体表面接触后，在固体表面排除空气而自行铺展的过程，也即一个以液固界面取代气固表面同时液体表面也随之扩展的过程。
气
固
侧视图
俯视图
a
B C
图5-11铺展润湿过程
若液滴从C自发铺展至B，覆盖面积为a，则相应的自由焓下降为：
若
则 为负，液体能在表面自行铺展，反之，若
1、粘附润湿过程
这是液体直接接触固体，变气液表面和气固表面为液固表面的过程。如图5-10所示，液体粘附在固体表面能否自发进行，决定于粘附过程中，自由焓的变
液
图5-10粘附润湿
化值是否小于零，即：
由上式可知， ，即粘附功 时，粘附润湿能自发进行，并且粘附功越大，粘附越牢。
2、浸湿过程
在固体直接浸入液体的过程中，原来的气固表面为液固表面所代替，见图5-11。
上两式中， 为固体处在真空中的表面张力， 为固体表面为蒸汽饱和时的表面张力，两者之差为扩展压：
因为在气固液三相系统中，固气，液气均达到平衡，即固、液表面都吸附了气体，故式（5-3）变为：
（5-5）
与Young方程结合，可得：
（5-6）
上式即为Young-Dupre方程，它将固液之间的粘附功和接触角联系起来。接触角越小，粘附功越大，液体越容易润湿固体。
若将均相物质分离成两部分，产生两个新界面，如图5-4所示，则上式中， ， ，则上式为：
这里 为内聚功或内聚能。物体的内聚能越大，将其分离产生新表面所需的功 均相的分离
§5.3 Young-Dupre公式
对固液界面，式（5-2）粘附功为：
（5-3）
由Young方程知：
（5-4）
接触角θ可定量描述固体被液体润湿的大小，接触角越小，润湿性越好，接触角越大，润湿性越差。一般分下面三种情况：
（1）θ< 90o时：被润湿，润湿过程对外做功，有放热现象；
（2）θ= 90o时：中等，无现象；
（3）θ> 90o时: 不被润湿，外界对系统做功，有吸热现象。
3、Young方程
如图5-2所示，润湿周边任意一点上，当润湿达平衡时，其在水平方向上的受力合力应为零，则应有：
则 为正，液体不能在表面自行铺展。故（ ）为铺展过程的推动力，定义铺展系数为：
（5-7）
在恒温恒压下， 时，液体取代固体表面上的空气而自由铺展，只要液体量足够，可以铺展整个表面。
式（5-7）可改写成为：
式中 为液体内聚功。若 ，则 ，即：当固液的粘附功大于液体的内聚功时，液体可以自行铺展在固体表面。
§5.1 Young方程和接触角
1、固体表面的润湿
固体被某种液体润湿或不能润湿，叫亲某种液体或疏（憎）某种液体，例如：亲水性（疏油性，疏气性）；亲油性（亲气性，疏水性）。
亲水性固体表面中等亲水性固体表面疏水性固体表面
图5-1水在固体表面的润湿情况
根据水对固体表面的亲、疏性大小，水滴在固体表面，会出现如图5-1所示三种情况。
θ
图5-6气泡法测接触角
3、吊片法测接触角
将表面光滑、均匀的固体薄片直接插入液体中，如果液体能够润湿此固体，则将沿薄片平面上升（见图5-7），升高值h与接触角之间关系为：
h
θ θ
图5-7吊片法测接触角
4、电子天平法测接触角
θ液
测定纤维对浸润液的接触角对纤维增强复合材料很重要，可用电子天平进行测定。如图5-8所示。
图5-8电子天平法测接触角
电子天平测出的力变化如图5-9所示。
图5-9电子天平测得的力的变化
如果液体完全润湿纤维，则：
如果液体与纤维之间接触角为θ，则有：
因此，只要知道纤维半径r和液体表面张力，就可测吃接触角θ。
§5.5润湿过程的三种类型
润湿过程有三种类型：粘附润湿（adhesionwetting）,浸湿润湿(immersionwetting)和铺展润湿(spreading wetting)。
（5-1）
上述方程即为Young方程，它是研究固液润湿作用的基础方程。
§5.2粘附功和内聚能
设有α，β两相，其相界面张力为 ，如图5-3所示，在外力作用下分离为
α α
β β
图5-3 α，β两相的分离
独立的α，β两相，表面张力分别为 。在这一过程中，外界所作的功为 ：
（5-2）
是将结合在一起的两相分离成独立的两相外界所作的功，叫粘附功。
以上三种润湿发生的条件可归纳如下：
粘附润湿：
浸润： （5-8）
铺展润湿：
讨论：
§5.4接触角的测定方法
接触角的测定方法很多，主要有以下几种。
1、停滴法
在光滑、均匀、水平的固体表面上放一小液滴，因液滴小，重力作用可忽略。将液滴视作球形一部分，测出液滴高度h与底宽2r（见图5-5）。有简单的几何分析可求出θ。
θ h
2r
图5-5停滴法测接触角
2、气泡法测接触角
将光滑、均匀、水平的固体表面放在液体中，在固体表面下方滴入一小气泡，通过显微放大作图法可测接触角，如图5-6所示。
若固体面积为A，则浸湿过程中系统自由焓变化为：
为浸润功，它的大小反映液体在固体表面上取代气体的能力。令 ，称A为粘附张力。由热力学平衡准则可知，只有 的过程才能发生浸润。 时不能浸湿，这时密度小于水的固体将浮于水面，密度大的，将沉于水底，取出后可发现没有被水浸润。这是因为粘附张力为负值，液体分子与固体表面的粘附力小于液体分子自身的内聚力之故。
第五章固-液界面
要求：掌握Young方程和接触角；了解粘附功和内聚能，Young-Dupre公式，接触角的测定方法，接触角的滞后现象，以及固体表面的润湿过程；理解固液界面的电性质，即扩散双电层理论，包括:Gouy-Chapman理论，Debye-Hukel对Gouy-Chapman公式的近似处理，Stern对Gouy-Chapman和Debye-Hukel理论的发展；理解动电现象，平面双电层之间的相互作用，球状颗粒之间的相互作用；掌握新相形成，即成核理论，以及促进成核的方法。
2、润湿性的度量——润湿接触角θ
三相接触周边：液滴在固体表面，会存在固液气三相接触线，将液滴在固体表面铺展平衡时的固液气三相接触线叫三相平衡接触周边。
平衡接触角或接触角θ：三相平衡周边任意一点上的液气界面张力 和液固界面张力 之间的夹角，叫润湿接触角θ，如图5-2所示。
θ
图5-2润湿接触角示意图
讨论：标出下列图中的润湿接触角。
3、铺展浸润过程
如图5-11所示，铺展润湿是液体与固体表面接触后，在固体表面排除空气而自行铺展的过程，也即一个以液固界面取代气固表面同时液体表面也随之扩展的过程。
气
固
侧视图
俯视图
a
B C
图5-11铺展润湿过程
若液滴从C自发铺展至B，覆盖面积为a，则相应的自由焓下降为：
若
则 为负，液体能在表面自行铺展，反之，若
1、粘附润湿过程
这是液体直接接触固体，变气液表面和气固表面为液固表面的过程。如图5-10所示，液体粘附在固体表面能否自发进行，决定于粘附过程中，自由焓的变
液
图5-10粘附润湿
化值是否小于零，即：
由上式可知， ，即粘附功 时，粘附润湿能自发进行，并且粘附功越大，粘附越牢。
2、浸湿过程
在固体直接浸入液体的过程中，原来的气固表面为液固表面所代替，见图5-11。
上两式中， 为固体处在真空中的表面张力， 为固体表面为蒸汽饱和时的表面张力，两者之差为扩展压：
因为在气固液三相系统中，固气，液气均达到平衡，即固、液表面都吸附了气体，故式（5-3）变为：
（5-5）
与Young方程结合，可得：
（5-6）
上式即为Young-Dupre方程，它将固液之间的粘附功和接触角联系起来。接触角越小，粘附功越大，液体越容易润湿固体。
若将均相物质分离成两部分，产生两个新界面，如图5-4所示，则上式中， ， ，则上式为：
这里 为内聚功或内聚能。物体的内聚能越大，将其分离产生新表面所需的功 均相的分离
§5.3 Young-Dupre公式
对固液界面，式（5-2）粘附功为：
（5-3）
由Young方程知：
（5-4）
接触角θ可定量描述固体被液体润湿的大小，接触角越小，润湿性越好，接触角越大，润湿性越差。一般分下面三种情况：
（1）θ< 90o时：被润湿，润湿过程对外做功，有放热现象；
（2）θ= 90o时：中等，无现象；
（3）θ> 90o时: 不被润湿，外界对系统做功，有吸热现象。
3、Young方程
如图5-2所示，润湿周边任意一点上，当润湿达平衡时，其在水平方向上的受力合力应为零，则应有：
则 为正，液体不能在表面自行铺展。故（ ）为铺展过程的推动力，定义铺展系数为：
（5-7）
在恒温恒压下， 时，液体取代固体表面上的空气而自由铺展，只要液体量足够，可以铺展整个表面。
式（5-7）可改写成为：
式中 为液体内聚功。若 ，则 ，即：当固液的粘附功大于液体的内聚功时，液体可以自行铺展在固体表面。
§5.1 Young方程和接触角
1、固体表面的润湿
固体被某种液体润湿或不能润湿，叫亲某种液体或疏（憎）某种液体，例如：亲水性（疏油性，疏气性）；亲油性（亲气性，疏水性）。
亲水性固体表面中等亲水性固体表面疏水性固体表面
图5-1水在固体表面的润湿情况
根据水对固体表面的亲、疏性大小，水滴在固体表面，会出现如图5-1所示三种情况。
θ
图5-6气泡法测接触角
3、吊片法测接触角
将表面光滑、均匀的固体薄片直接插入液体中，如果液体能够润湿此固体，则将沿薄片平面上升（见图5-7），升高值h与接触角之间关系为：
h
θ θ
图5-7吊片法测接触角
4、电子天平法测接触角
θ液
测定纤维对浸润液的接触角对纤维增强复合材料很重要，可用电子天平进行测定。如图5-8所示。
图5-8电子天平法测接触角
电子天平测出的力变化如图5-9所示。
图5-9电子天平测得的力的变化
如果液体完全润湿纤维，则：
如果液体与纤维之间接触角为θ，则有：
因此，只要知道纤维半径r和液体表面张力，就可测吃接触角θ。
§5.5润湿过程的三种类型
润湿过程有三种类型：粘附润湿（adhesionwetting）,浸湿润湿(immersionwetting)和铺展润湿(spreading wetting)。
（5-1）
上述方程即为Young方程，它是研究固液润湿作用的基础方程。
§5.2粘附功和内聚能
设有α，β两相，其相界面张力为 ，如图5-3所示，在外力作用下分离为
α α
β β
图5-3 α，β两相的分离
独立的α，β两相，表面张力分别为 。在这一过程中，外界所作的功为 ：
（5-2）
是将结合在一起的两相分离成独立的两相外界所作的功，叫粘附功。