第2章液体在固体表面的润湿

1805年，Young首先提出，将接触角的问题当作平 面固体上的液滴在三个界面张力作用下的平衡来处 理： 将上式分别代入下面三个方程式中
Wa = γ l − g + γ s − g − γ s −l
Wa = γ l − g (1 + cos θ )
Wi = γ s − g − γ s − l
Wi = γ l − g cos θ
S = γ l − g (cos θ − 1)
S = γ s− g − γ s=l − γ l − g
第三节 固体表面的润湿性质 低表面能表面：< 0.1N.m-1 ,通常将固体有机及高聚 物的表面视为低表面能。 高表面能表面：1N.m-1以上的物质。通常将金属及其 氧化物、硫化物、无机盐等的表面视为高表面能表 面。 γ s − g − γ s −l cos θ = 从润湿方程
一、沾湿 将气－液界面与气－固界面，转化为液－固的界面 的过程。 在恒温恒压下，这个过程中体系自由能的变化为：
∆G = γ s −l − γ l − g − γ s − g
当体系自由能降低时，它向外所做的功为
Wa = γ l − g + γ s − g − γ s − l
• Wa≥0是液体沾湿固体的条件
二、浸湿 是将气－固界面转变为液－固界面的过程，而液体 表面在这个过程中没有变化。在恒温恒压下，设润 湿面积为一个单位面积，此时，体系吉布斯自由能 降低或对外做功分别为：
∆G = γ s −l − γ s − g
Wi = γ s − g − γ s −l
Wi≥0是液体浸湿固体的条件。它的大小可以 作为液体在固体表面取气体能力的量度。 在润湿作用中，也用它来表示对抗液体表 面收缩的浸湿能力，所以又称为粘附张力， 用A表示。
第三章 液体在固体表面的润湿作用 第一节 润湿作用
润湿（广义）：表面上的一种流体被另一种 流体所取代的过程称之为润湿。 润湿（狭意）：固体表面上所吸附的气体被 液体取代的现象，此时，固－气表面消失， 而重新形成固—液界面，此时，体系吉布斯 自由能变化自然将相伴发生。 润湿（热力学）:固体与液体接触后，体系 （固—液）的吉布斯自由能降低时，称之为 润湿。
二、高能表面的润湿和自憎 自憎：表面张力较低的液体吸附在高能表面 上，形成C-H基朝向空气的表面膜，使高能 表面变成低能表面，临界表面张力低于液 体表面张力，液体不能在固体表面膜上铺 展的现象。
第四节 接触角的测定 一、角度测量法 1、观察测量法：观察液滴或气泡外形，可以 通过将影像放大或显微镜观察，也可以进 行摄影，然后作切线，测量其角度。 特点：方法简单，但切线不易作准确
θ= π
2 −φ
二、长度测量法 三、重量测定法
第五节 润湿作用的应用 一、润湿作用在采油中的作用
二、润湿作用在防水材料中的应用
三、选矿 四、染色处理
γ l−g
中可以看出，表面能高的固体比表面能低的固体更容 易被液体所润湿。
一、低表面能表面的润湿性质 同系物溶液在同一固体上的接触角随液体 表面张力的降低而减小
• 不同种的有机物在聚四氟乙烯表面上的润 湿实验，从这个实验可以看出， 与所接触 的液体的关系不大而是所给固体的特征值。
• 在不同表面结构的固体表面上做接触角与 表面张力（液体）之间的关系实验。找出 各种不同表面结构的固体表面的临界表面 张力。
三、铺展 是表示当液－固界面取代气－固界面的同时，气－ 液界面也扩大了同样的面积。 在恒温恒压下当铺展面积为1个单位时，体系吉布 斯自由能的降低或对外所做的功分别用下式表示：
S = γ s − g − γ s −l − γ l − g
式中，S为铺展系数，当S≥0时，液体可以在固体 表面上自动铺展
第二节 接触角与润湿方程 接触角：即在固－液－气三相交点处作气液 界面的切线，此切线与液固交界线之间的 夹角就是接触角。
通过以上三种实验，得出如下几点规律： （1）高分子固体的润湿性质与其分子的元素 组成有关。在C-H链中加入其它杂原子，低，即变小。而其它原 子的加入使之升高。它们增进润湿性能的 能力有如下次序:N >O >I >Br > Cl >H-F (2)附有表面活性物质分子层的玻璃或金属的 表面显示低能表面的性质，说明决定固体 润湿性质的是表面原子或原子团的性质及 排列情况，而与内部结构无关。 （3） 是固体的特征值，与液体的关系不大
2、斜坡法：当固体板插入液体时，在三相交
界处总是有保持一定角度的接触角。但是 只有当固体板面与液面所夹的角度和接触 角相等时，液面才会一直平伸到三相交界 处，如上图所示，这时液面没有出现弯曲 不平 。 特点：没有必要作切线，但用液量最大
3、反射光法：用强的细缝光源，照射在三相交界 处，并转动其入射光方向，当反射光刚好沿着固 体表面进行时，观察者可以见到反射光。因此可 以根据入射光与反射光的交角2 φ计算接触角。 θ 特点：此方法只适合于 < 90 0 的情况。