第二章 无机材料科学基础实验(第二部分)讲解

2.6 无机材料润湿实验

2.6.1 实验目的与要求

1. 了解液相润湿固相时润湿角与表面能的关系。

2. 了解润湿角的测定方法和仪器的使用方法。

2.6.2 实验原理

润湿是固液界面上的重要行为。润湿是近代很多工业技术的基础。例如：陶瓷、搪瓷的

坯釉结合、机械的润滑、注水采油、油漆涂布、金属焊接、陶瓷与金属的封接等工艺和理论

都与润湿作用有密切关系。

润湿的热力学定义是：固体与液体接触后，体系（固体十液体）的自由焓降低时，称为

润湿。

根据润湿程度不同可分为附着润湿、铺展润湿及浸渍润湿三种。本实验主要是陶瓷坯釉

的铺展润湿。如图2-6-1所示。

从热力学观点看，液滴落在清洁平滑的固体表面上，当忽略液体的重力和粘度影响时，

则液滴在固体表面上的铺展是由固-气（SV）、固-液（SL）

和液-气（LV）三个界面张力所决定的，其平衡关系如下

确定。

图2-6-1 陶瓷坯釉的铺展润湿示意

图

γSV=γSL+γLV cosθ

F=γLV cosθ=γSV-γSL+γLV

式中：θ是润湿角，F是润湿张力。显然，当θ＞90°则因润湿张力小而不润湿；θ＜90°则润

湿；而θ=0°，润湿张力F最大，可以完全润湿，即液体在固体表面上自由铺展。

从上面公式可以看出，润湿的先决条件是γSV＞γSL，或者γSL十分微小。当固、液两相的

化学性能或化学结合方式很接近时，是可以满足这一要求的。因此，硅酸盐熔体在氧化物固

体上一般会形成小的润湿角，甚至完全将固体润湿。而在金属熔体与氧化物之间，由于结构

不同，界面能γSL很大，γSV<γSL按公式可以计算得θ＞90°。

从公式还可以看到γLV的作用是多方面的，在润湿的系统中（γSV＞γSL），γSL减小会使

θ缩小，而在不润湿的系统中（γSV<γSL）γLV减小使θ增大。

本实验采用在陶瓷坯体（γSV≈800mN/m)表面上，施以硅酸盐熔体的陶瓷釉

（γSV≈300mN/m)，在一定温度下测定θ角，计算润湿张力F和界面能γSL。分析陶瓷坯釉结

合性能。

2.6.3 实验仪器以及所用工具

①耐火度测定仪，见图2-6-2，（或光学接触角测量仪），用来测量接触角。

②读数显微镜，量角器

③釉成型膜具和压力机。

④陶瓷坯体制备的球磨机、注浆成型用石膏膜

⑤修坯砂纸、锯条。

⑥原料：长石、石英、粘土、熔块釉粉、淘洗苏州土、糊精等。

2.6.4 实验方法

1. 试样准备

用1300℃烧成的普通陶瓷配方，经球磨、注浆成型、干燥、修坯成20×20×5mm的薄片。再经1300℃烧成为陶瓷片。再将熔块釉粉成型为Φ5×5mm的小圆柱。

2. 实验步骤

将釉粉成型为Φ5×5mm的小圆柱放在20×20×5mm陶瓷片上，一起放入耐火度测定仪的管式电炉内，升温至800～1100℃，在观察窗内测定釉熔化后不同温度下形成的θ角，或者冷却后把试样拿出测量最高温度的θ角。

2.6.5 实验结果分析

1. 不同温度下的θ角，计算润湿张力F和界面能γSL。

2. 分析实验误差对结果的影响。

3. 实验讨论以及本实验后的体会。

表2-6-1 常见物体的表面能

材料温度

(℃) 表面能

(mN/m)

材料温度

(℃)

表面能

(mN/m)

水（液态）25 72 硅酸钠(液态) 1000 250 铅（液态）350 442 石英玻璃300 铜（固态）1080 1430 硅酸盐熔体300 B2O3(液态) 900 80 0.20Na2O-0.80SiO2（液态）1350 380 Al2O3（固）1850 905 0.13Na2O-0.13CaO—0.74SiO2（液）1350 350

图2-6-2 实验仪器装置示意图

2.7 粘土—水系统的双电层实验

2.7.1 实验目的

观察并熟悉粘土胶粒的电泳现象，即用宏观电泳仪测定粘土胶体的电泳速度并计算其Zeta 电位；了解不同种类及数量的电解质对Zeta 电位的影响。

2.7.2 实验内容

1. 原理

电泳是胶体体系在直流电场的作用下胶体分散相在分散介质中作定向移动的电动现象。按照Gouy-chapman 提出并由Stein 发展的扩散双电层模型，胶体分散相的电泳现象是由于胶粒与液相接触时。在胶粒周围形成了连续扩散双电层，并在扩散双电层的滑动面上相互均匀液相介质具有一个电位即Zeta 电位(ζ-电位)。根据静电学原理，ζ-电位的数值与电泳速度有下列关系：

πη

4ζD

u =

式中：u 为电泳速度，D 为分散介质的介电常数；η为分散介质的粘度。因此，依据电泳速度的大小可以研究胶粒的电动电位和带电性质等情况。

必须明确，电动电位与热力学电位（ψ）不同，后者是指胶核与均匀液相间的电位差，即固—液间的电位差；而ζ-电位是胶粒表面吸附层界面到均匀液相的电位（图2-7-1）。与此相应，胶粒移动是胶核核厚度为δ的带相反离子的吸附层共同移动。因此，胶粒移动是胶体ζ-电位与外电场的作用结果。

由双电层模型推知，电介质对ζ-电位有明显影响，当电介质浓度增大时，扩散双电层受到压缩（见图中扩散层厚度d 被压缩d’，吸附层从δ变到δ'），于是ζ-电位也随之下降。

图2-7-1 扩散双电层与ζ-电位

图2-7-2 U形管界面移动电泳仪装置图

1.整流稳压输出端；

2. 直流电压表；

3. 铂电极；

4. 电泳管；

5. 辅助溶液（蒸馏水）；

6. 泥浆；

7. 活塞

当扩散层的厚度逐渐压缩至吸附层厚度时，ζ-电位也就不存在了。此外，电介质的离子电位和水化能力对ζ-电位也有影响。对同一种粘土来说，当加入电解质浓度一定时，各种阳离子对ζ-电位的影响符合赫夫曼斯特次序，即电价愈低，水化离子半径越大的阳离子，愈能使扩散双电层加厚，ζ-电位增大。

测定胶体电泳速度的方法大致可分为两种，一为宏观的胶体界面移动法。另一为微观的颗粒移动法。相应地，电泳仪也分为两类：（1）宏观电泳仪——肉眼观察胶体界面的移动，以测定电泳速度。可以U形管电泳仪为代表。（2）微观电泳仪——在显微镜下观察胶粒的移动，以测定电泳速度。此类电泳仪可分载波片式与毛细管两种。测定方法应根据实际情况适当选用。本实验采用U形管界面移动电泳仪。

2. 仪器及装置

U形管界面电泳仪示于图7-2中。

3. 实验步骤

(1) 称取一定量的粘土，研磨后配制成胶体溶液，使其浓度为0.2 wt%。

(2) 将配制好的胶体溶液加入U形管，使液面超出两活塞，关闭活塞，倾出活塞上部的

胶体溶液，

(3) 用蒸馏水洗净活塞上的管子。

(4) 在活塞以上的管子内注入辅助溶液至一定的高度，并使两端水平。

(5) 插入铂电极，并测出两铂电极之间的距离。

(6) 接好线路，确定正负极，将稳压器接上电源，一分钟后再逐步升高电压到120V~150V 之间。

(7) 打开活塞，并同时接下秒表，待泥浆液面上升到一定位置时，记录时间和相应的移动距离以及界面移动的方向（向正极移动或向负极移动）。

(8) 加入不同种类的电解质到胶体溶液中（U形管的两端各加1滴或2滴），经充分摇匀后，重复上述操作。

4. 实验结果与处理

(1) 求电泳淌度：