材料表界面ppt课件.ppt

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1、第四章固-液界面4.1Young方程和接触角1.接触角：在三相交界处自固-液界面经过液体内部到气-液界面的夹角叫接触角，以θ表示。（1）θ=0，完全润湿，液体在固体表面铺展。（2）0<θ<90°，液体可润湿固体，且θ越小，润湿越好。（3）90°<θ<180°液体不润湿固体。（4）θ=180°，完全不润湿，液体在固体表面凝成小球。2.Young方程4-1图4-2Young方程的推导从能量观点推导Young方程（如图4-2）系统自由焓的变化当液体滑动时，应有：代入得：平衡时，dG=0,故4-24-34-44.2粘附功和内聚能图4-3α、β相的分离设有单位面积的α-β两相，其相界面

2、表面张力为σαβ，在外力作用下分离独立的α和β相，表面张力分别为σα和σβWa是将结合在一起的两相分离成独立的两相外界所做的功，称作粘附功。在这一过程中，外界所做的功Wa为:4-5图5-4均相物质的分离若将均相物质分离成两部分，产生两个新界面，则式（4-5）中，σα=σβ，σαβ=0。则：这里Wc称作内聚功或内聚能，物体的内聚能越大，将其分离产生新表面所需的功也越大。4-64.3Young-Dupre公式对固液界面，粘附功：WSL=σS+σL-σSL考虑到与气相平衡WSL=σSG+σLG-σSLYoung方程：4-4上式称为Young-Dupre方程，它将固-液之间的粘附功与

3、接触角联系起来。4-10上式如果θ=0°，则:也即粘附功等于液体的内聚功，固-液分子间的吸引力等于液体分子与液体分子的吸引力，因此固体被液体完全润湿。如果θ=180°液-固分子之间没有吸引力，分开固-液界面不需做功。此时固体完全不为液体润湿4-114-124-104.4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：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5.4.3电子天平法如果液体完全润湿纤维，则：如果液体与纤维之间的接触角为θ，则有：若纤维的半径r和液体表面

4、张力σL已知，则用电子天平法测出∆P后，由式（4-17）可求出接触角θ。4-164-17测定两种互不相溶液体之间的界面张力和界面接触角图4-9界面张力和界面接触角的测试若完全浸润若界面张力σL1L2已知，液体与纤维之间存在接触角θL1/L2，则：因此，测定ΔP可求出纤维在L1/L2界面的接触角θL1/L2。（4-18）（4-19）图4-10用纤维束测接触角示意图以一束纤维代替一根纤维在塑料管中充填一束纤维，充填率ξ=0.47~0.53。使纤维束与液面接触，因毛细现象，液体沿着纤维间空隙上升，用电子天平测出增重量m随浸润时间变化图5-11浸润曲线充填率ξ=0.47~0.53以m

5、2~t作图，可得直线。该直线的斜率即为（4-20）式中t的系数。由斜率即可求出接触角θ。（4-20）接枝改性丙纶的接触角4.5接触角的滞后现象4.5.1前进角和后退角前进角θa最大前进角θa,max后退角θr最小后退角θr,min在理想光滑、组成均匀的表面上的平衡接触角就是Young氏角。许多实际表面都是粗糙的或是不均匀的，液滴可以处在稳定平衡态（即最低能量态），也可处于亚稳平衡态，即出现接触角的滞后现象。4引起接触角滞后的原因固体表面的粗糙度固体表面的不均匀性和多相性固体表面的污染图5-13表面粗糙度对接触角的影响4.5.2由于表面粗糙引起的滞后A：真正表面积；A’：表观表

6、面积固液界面的真正面积增加rdS，固气界面的真正面积相应减少rdS，液气界面的真正面积增加dScosθw。式中θy为Young接触角，上式叫做Wentzel方程。它表明粗糙表面的cosθw的绝对值总比平滑表面的cosθy大。如图所示，在平衡状态下有（4-22）（1）当θy<90°时，表面粗糙化将使接触角更小。润湿性更好。（2）当θy>90°时，表面粗糙化将使接触角变大。润湿性更差。（3）由式4-22可以估算实验的误差，例如：当θ=10o时，若r=1.02，则θy-θw=5o；当θ=45o时，若r=1.1，才使θy-θw=5o；当θ=80o时，若r=2，才使θy-θw=5o；可

7、见，接触角越小，表面粗糙度的影响越大，要得到准确的接触角，特别注意表面要光滑。4.5.3由于表面不均匀性和多相性的滞后前进角往往反映表面能较低的区域，或反映与液体亲和力弱的那部分固体表面的性质，而后退角往往反映表面能较高的区域，或反映与液体亲和力强的那部分固体表面的性质。对于由物质A和物质B组成的复合表面，若两者各占分数为xA和xB，则复合表面的接触角可表示为：所以，表面不均匀性和表面污染是造成接触角滞后的重要原因4.5.4表面污染无论是液体或是固体的表面，在污染后都会引起滞后现象。表面污染往往来自液体