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时间:2019-07-08
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1、第五章润湿作用2021/8/6一润湿及其类型润湿:表面上一种流体被另一种流体取代的过程。因此,润湿作用必然涉及三相,而其中至少两相为流体。通常指的是固体表面上的气体被液体取代的过程。它可分为:浸湿、沾湿、铺展三种情况。2021/8/61沾湿沾湿是指液体与固体接触,变液/气界面和固/气界面为固/液界面的过程,如图所示。例如飞机在空中飞行,大气中的水珠是否会附着于机翼上而有碍飞行;农药喷雾能否有效地附着于植物的枝叶上?这都是与沾湿过程有关的问题。设固/液接触面积为单位值,则此过程中体系自由能变化值为:2021/8/6设此过程恒温恒压,则体系自由能的减少等于体系所做的最大非体积功,即式中分别为气/固
2、界面、液体表面和固/液界面的自由能。Wa称为粘附功,它是沾湿过程体系对外所做的最大功,也就是将固/液接触面(如图右侧)自交界处拉开,外界所需做的最小功。显然,此值越大,则固/液界面结合越牢。故Wa是固/液界面结合能力即两相分子间相互作用力大小的度量。1沾湿2021/8/6S-固相;L-液相;G-气相根据热力学第二定律,在恒温恒压条件下,Wa≥0的过程为自发过程,此即沾湿发生的条件。1沾湿2021/8/62、浸湿指固体浸入液体的过程。该过程的实质是固/气界面为固/液界面所代替,而液体表面在过程中无变化(下图)。洗衣服时把衣物浸泡在水中即为此过程。2021/8/6在浸湿面积为单位值时,过程的自由
3、能降低为:式中,Wi称为浸润功,它反映液体在固体表面上取代气体的能力。Wi≥0是恒温恒压下浸湿发生的条件。2、浸湿2021/8/63铺展铺展过程的实质是在以固/液界面代替固/气界面的同时,液体表面也同时扩展(下图)。如农药喷雾于植物上,就要求农药能在植物的枝叶上铺展以覆盖最大面积。2021/8/6当铺展面积为单位值时,体系自由能降低为:S为铺展系数。在恒温恒压条件下,S≥0时,液体可以在固体表面上自动展开,连续地从固体表面上取代气体。只要液体量足够多,液体将会自行铺满固体表面。2021/8/6上述三种润湿都是界面现象,其过程的实质都是界面性质及界面能量的变化。三种润湿发生的条件为:沾湿:浸湿:
4、铺展:以上三式也成为润湿能否发生的能量判据。对于同一体系,Wa>Wi>S。显然,若S≥0,则必有Wa>Wi>0,亦即铺展的标准是润湿的最高标准,能铺展则必能沾湿和浸湿,反之,则不然。因而常以铺展系数作为体系润湿性的指标。2021/8/62021/8/6常用来描述润湿的是润湿方程(Youngeq)将润湿方程用于上述三种润湿过程,可得到:沾湿:浸湿:铺展:2021/8/6因此,通过测定液体的表面张力和接触角,即可得到粘附功、浸润功和铺展系数的数值。不难看出,接触角的大小可作为判断润湿能否进行的判据,它与以能量变化为基础的判据间有如下关系:能量判据接触角判据沾湿:θ≤1800铺展:θ≤0浸湿:θ≤9
5、02021/8/6在以接触角表示润湿性时,习惯上可将θ=90°定为润湿与否的标准,即θ>90°叫做不润湿;θ<90°则叫做润湿,接触角越小润湿性能越好;平衡接触角θ=0时,则称为铺展。通常需要测定润湿角,来确定润湿的程度,但润湿角的测量十分困难。润湿涉及到至少三相,其中一相为固体,所以润湿不仅与液体的性质有关,也与固体的性质有关。2021/8/62.液—液界面张力理论液—液界面张力的测定(1)毛细上升法:方法简单、方便。但接触角不易测定。(2)滴体积法:方法简单、方便。但要引入校正因子。注意上述两种方法的有关公式中,不能忽略任一相的密度。关于液—液界面张力的理论液液界面张力同表面张力一样,是界
6、面上的分子受到两边液相分子作用力的结果。其值与两液体的表面张力有关。2021/8/6液—液界面张力理论1Antonoff经验规则该规则的主要缺陷是1)认为低表面张力的液体总是可以在高表面张力的液体上面铺展,而事实则不然.2)假设在界面上的分子不论是a或b,它受到a相的引力应等于a分子间的作用力,受到b相的引力应等于b分子间的作用力。显然,这忽略了a与b分子间的相互作用力。2021/8/6液—液界面张力理论2、Good—Girifalco理论理论要点为;1)根据a和b粘附过程的粘附功公式定义自粘功公式2)设W(ab)与W(aa)、W(bb)之间存在几何平均关系2021/8/6液—液界面张力理论2
7、021/8/6液—液界面张力理论3)Fowkes理论Good—Girifalco理论的主要缺陷在于没有从根本上考虑分子间的各种相互作用。Fowkes从另一个角度成功地改进了Good—Girifalco理论,他指出所有存在于分子间的作用力均对液体的表面张力有贡献,即液体的表面张力是各项作用力的贡献之和2021/8/6液—液界面张力理论4)吴氏倒数平均法2021/8/6液—液界面张力理论符合几何平均关
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