第九讲润湿现象.ppt

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1、第九讲润湿现象一、润湿的类型从宏观来说，润湿是一种流体从固体表面置换另一种流体的过程。从微观的角度来看，润湿固体的流体，在置换原来在固体表面的液体后，本身与固体表面是在分子水平上的接触，它们之间无被置换相的分子。润湿（wetting）是指在固体表面上一种液体取代另一种与之不相混溶流体的过程。1930年Osterhof和Bartell把润湿现象分成沾湿(ashesion)、浸湿(immersions)和铺展(spreading)三种类型。润湿方式或过程不同，润湿的难易程度和润湿的条件亦不同，因此，应分别讨论上面

2、三种类型的润湿条件。1．沾湿如果液相（L）和固相（S）按下图所示的方式接合，则称此过程为沾湿。这一过程进行后的总结果是：消失一个固-气和一个液-气界面，产生一个固-液界面。沾湿过程若设固-液接触面为单位面积，在恒温恒压下，此过程引起体系自由能的变化是：△G=SL－SV－LV一、润湿的类型式中SL——单位面积固-液界面自由能；SV——单位面积固-气界面自由能；LV——单位面积液-气界面自由能。沾湿的实质是液体在固体表面上的粘附，因此在讨论沾湿时，常用粘附功这一概念。它的定义与液-液界面粘附功的定义完

3、全相同，可用下式表示：WS=SV＋LV－SL=－△G式中，WS为粘附功。可以看出，SL越小，则WS越大，液体越易沾湿固体。若WS≥0，则（△G）TF≤0，沾湿过程可自发进行。固-液界面张力总是小于它们各自的表面张力之和，这说明固一液接触时，其粘附动总是大于零。因此，不管对什么液体和固体，沾湿过程总是可自发进行的。一、润湿的类型2．浸湿将固体小方块（S），按下图所示方式浸入液体（L）中，如果固体表面气体均为液体所置换，则称此过程为浸湿。在浸湿过程中，体系消失了固-气界面，产生了固-液界面。浸湿过程一、润

4、湿的类型若固体小方块的总面积为单位面积，则在恒温恒压下，此过程所引起的体系自由能的变化为：△G=SL－SV如果用浸润功来表示这一过程自由能的变化，则是：Wi=－△G=SV－SLWi是浸润功，若Wi≥0，则△G≤0，过程可自发进行。浸湿过程与沾湿过程不同，不是所有液体和固体均可自发发生浸湿，而只有固体的表面自由能比固-液的界面自由能大时，浸湿过程才能自发进行。一、润湿的类型3．铺展置一液滴于一固体表面（如下图）。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。在此过程中，失去固-

5、气界面，形成了固-液界面和液-气界面。铺展过程一、润湿的类型设液体在固体表面上展开了单位面积，则体系自由能的变化为：△G=SL+LV－SV对于铺展润湿，常用铺展系数来表示体系自由能的变化：SL/S=－△G=SV－SL－LVSL/S称为铺展系数，简写为S，若S≥0，则△G≤0，液体可在固体表面自动展开。一、润湿的类型上面讨论了三种润湿过程的热力学条件，应该强调的是，这些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

6、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-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，这些判断条件仍为我们解决润湿问题提供了正确的思路。例如，水在石蜡表面不展开，如果要使水在石蜡表面上展开，根据公式，只有增加SV，降低LV和SL，使S≥0。SV不易增加，而LV和SV则容易降低，常用的办法就是在水中加入表面活性剂，因表面活性剂在水表面和水-石蜡界面上吸附即可使LV和SL下降。一、润湿的类型将液滴（L）放在一理想平面（S）上（如

7、下图），如果有一相是气体，则接触角是气-液界面通过液体而与固-液界面所夹的角。液滴在固体表面上的接触角二、接触角和Young方程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而张力的作用来处理。当三个作用力达到平衡时，应有下面关系：SV=SL+LVcos这就是著名的Young方程。式中SV和LV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）。应当指出，Young方程的应用条件是理想表面，即指固体表面是组成均匀、平滑、不变形（在液体表面张力的垂直分量的作用下）

8、和各向同性的。只有在这样的表面上，固体才有固定的平衡接触角，Young方程才可适用。虽然严格而论这种理想表面是不存在的，但只要精心准备，可以使一个固体表面接近理想表面，如高分子涂层。二、接触角和Young方程Young方程可用热力学方法导出。接触角是实验上可测定的一个量，有了接触角的数值，即可得下面润湿过程的判断条件：二、接触角和Young方程对于浸湿过程，=90°完全可作为润湿和不润湿的界限；