高表面能固体的润湿性实验及表面张力计算_罗晓斌
利用润湿测定法测量材料表面张力的步骤与技巧
利用润湿测定法测量材料表面张力的步骤与技巧材料的表面张力是指材料表面分子间的相互作用力，它对于涂料、胶水、油墨、纸张等许多工业产品的生产和质量控制具有重要意义。
而利用润湿测定法可以准确测量材料的表面张力，为工业生产提供重要参考。
本文将介绍润湿测定法测量材料表面张力的步骤与技巧。
一、实验准备在进行润湿测定法之前，需要准备一些实验器材和试剂。
首先，准备一台精密天平，用于称量试剂。
其次，准备一些试剂瓶和滴管，用于配制试剂和滴加样品。
还需要一些试管和烧杯，用于容纳试剂和样品。
最后，需要一些滤纸和玻璃片，用于进行润湿实验。
二、试剂配制润湿测定法需要用到一种称为润湿剂的试剂，它可以降低液体在固体表面的表面张力，促使液体更好地润湿固体表面。
润湿剂的配制需要根据具体实验要求来确定。
一般情况下，可以选择一种无色无味的润湿剂，如乙醇或去离子水。
将润湿剂稀释到一定浓度后，即可用于润湿实验。
三、实验步骤1. 准备样品：首先，将待测材料切割成合适的形状，如矩形或圆形。
然后，用洗涤剂和去离子水彻底清洗样品表面，以去除表面的污垢和油脂。
最后，用纸巾将样品表面擦干。
2. 润湿实验：将润湿剂滴在样品表面，观察液滴在样品表面的行为。
如果液滴能够迅速展开并完全润湿样品表面，说明润湿剂的浓度适宜。
如果液滴无法展开或只是局部润湿样品表面，说明润湿剂的浓度过低，需要适当增加润湿剂的浓度。
3. 测量角度：利用一个称为测角仪的仪器，测量液滴与样品表面之间的接触角度。
接触角度越小，说明液滴越容易润湿样品表面，表明样品的表面张力较低。
反之，接触角度越大，说明液滴难以润湿样品表面，表明样品的表面张力较高。
4. 计算表面张力：根据润湿实验的结果和测得的接触角度，可以利用杨-杜龙方程计算样品的表面张力。
该方程是一个经验公式，可以通过实验测得的接触角度和润湿剂的特性来计算表面张力。
四、实验技巧1. 保持实验环境的干净和整洁，避免外界因素对实验结果的影响。
润湿物理化学教案中的润湿剂的表面张力与润湿性能
润湿物理化学教案中的润湿剂的表面张力与润湿性能润湿是物体表面与液体之间的相互作用现象，能够决定液体在固体表面展开或收拢的能力。
在物理化学教学中，润湿剂的表面张力与润湿性能是重要而复杂的研究领域。
本文将探讨润湿剂的概念、表面张力以及润湿性能的关系，并着重介绍一些常见润湿剂的性质和应用。
1. 润湿剂的概念润湿剂是一种添加在液体中的化学物质，可以改善液体与固体表面之间的相互作用力，以增强液体对固体的润湿性能。
润湿剂一般分为两类：阳离子润湿剂和非离子润湿剂。
阳离子润湿剂是指在水中离解产生带正电荷的离子，并通过与固体表面上的空位或电子对相互作用来改变润湿性能。
非离子润湿剂则是由由非离子表面活性剂构成，其分子中不带电荷，通过分子间力来改变润湿性能。
2. 表面张力与润湿性能的关系表面张力是指液体表面上的分子间相互作用力，其大小决定了液体能否湿润固体表面。
润湿性能好的液体通常具有较低的表面张力。
润湿剂能够通过改变表面张力来调节液体的润湿性能。
当润湿剂添加到液体中时，润湿剂分子会吸附在液体-固体界面上，减小了界面的表面张力，从而使液体更好地与固体接触，提高了润湿性能。
3. 常见润湿剂的性质和应用3.1 阳离子润湿剂阳离子润湿剂常用于纺织工业和造纸工业中。
例如，十二烷基硫酸钠（SDS）是一种常见的阳离子润湿剂，可应用于洗涤剂和乳化剂中，以增强其润湿性能。
3.2 非离子润湿剂非离子润湿剂具有良好的表面活性能力和溶解性，常用于鞋类、皮革和塑料等工业中。
聚氧乙烯醇（POE）是一种常见的非离子润湿剂，可用于改善塑料和涂料的润湿性能。
4. 润湿剂的改善措施除了选择合适的润湿剂外，还可以通过控制温度、pH值和添加助剂等方式来改善润湿性能。
例如，提高温度可以使某些润湿剂分子更容易吸附在固体表面上，进而改善润湿性能。
结论：润湿剂在物理化学教学中扮演着重要的角色。
其表面张力与润湿性能的关系是润湿剂研究的核心内容。
理解润湿剂的概念、性质以及应用，对于掌握物体表面与液体相互作用的基本原理和应用具有重要意义。
表面张力与润湿作用
表面张力与润湿作用
一、胶黏剂粘接机理 二、界面现象 三、表面张力 四、润湿作用 五、润湿现象的运用
一、胶黏剂粘接机理
1、机械理论 2、弱边界层理论 3、扩散理论 4、静电理论 5、吸附理论
1、机械理论
机械理论认为，胶粘剂必须渗入被粘物 表面的空隙内，并排除其界面上吸附的空 气，才能产生粘接作用。
由杨氏方程，θ由 sg ， sl ， lg 决定。
对于指定的固体，液体表面张力越小，其在该 固体上的θ也越小。对于同一液体，固体表面能 越大，θ越小。
θ反应了液体与固体表面亲和作用大小，亲 和力越强越易于在表面上展开， θ越小。
2.接触角滞后现象
接触角示意图。（A）液固相对静止，（B）液固相对移动
固－液界面取代液－气界 面和气－固界面的过程
铺展
液体在固体表面展开成薄层，此过程称为铺 展。铺展是固气界面消失，气液界面和固液界面 形成的过程。
Gs gs lg sl S （铺展系数）
铺展系数S>0，过程自发进行。
浸湿
Байду номын сангаас固体浸于液体中的过程称为浸湿。此过程 是固气界面被固液界面取代，气液界面无变化， 此过程自由能变化为
γsg
气
液
γsl 固
气
γsg
液
γsl 固
< 90
> 90
• 接触角 与各个界面张力
sg sl lg cos
该式称为Young方程或润湿方程。 θ越小，润湿过程越易进行。 习惯上，θ>90℃, 为不润湿
θ<90℃, 为润湿
三.决定和影响接触角大小的一些因素
拉脱法测量纯水表面张力系数实验的研究
文章编号：１０００．０７１２（２００８）０２．００６０．０４
液体表面张力在物理学中不仅是一个古老而传 统的研究课题，更是一个极为活跃，不断创新的研究 热点．科技进步使得液体表面张力在现代科学技术 的许多领域和人们的生产、生活中有着广泛的应用． 作为物理专业的大学生，理解表面张力的性质，了解 测量表面张力的方法和途径是非常必要的．但是由 于传统拉脱法测量表面张力使用的约利弹簧极易损 坏，且相关的生产厂家很少，使得开设测量表面张力 系数的物理实验存在一定的难度，因此现阶段在高 校的物理实验课程中这个实验开设较少，这不能不 说是一种缺憾．
了实验仪器．研究分析了使用约利弹簧和传感器测量表面张力系数实验的实验原理，指出了它们的区别，并给出了利用传感
器测量表面张力系数实验的理论计算公式．改进后的实验降低了拉脱法测量表面张力系数实验的技术难度，提高了测量表面
张力系数的精确度．
关键词：表面张力；表面张力系数；传感器
中图分类号：Ｏ ４－３３
文献标识码：Ａ
图４“临界状态∑”时铁丝和整块液 膜组成的力学系统受力情况 （侧面图，表面张力没表出）
脚ｏｇ ｐｄｌｈｇ珊ｏｇ
“
图２“过程一”中铁丝和整块液膜组成的力学系 统受力情况（侧面图，表面张力没表出）
对铁丝和整块液膜所组成的系统有
Ｆ＝ｍｇ＋一ｚ＾ｇ＋２ｍｏｇ
（１）
对阴影部分以外的液膜有
ｆｃｏｓ驴。ａｌｃｏｓ妒２ ｍｏｇ
对误差的３．６倍．这说明传感器的引入大大提高了 测量的准确度．此外，在传感器测量时，液膜平均拉 高到３．９８８ ｍｍ才会破裂，液膜破裂时的拉力平均为 ８．２５ ｘ １０－３Ｎ．在相同的实验条件下使用约利弹簧 测量时，液膜平均被拉高２．３８７ ｍｍ就会破裂，液膜 破裂时的平均拉力为９．３２ ｘ １００ Ｎ．产生这种差异 的原因是因为在用传感器和约利弹簧测量表面张力 系数实验中液膜破裂时所对应的状态不同．前者液 膜破裂时对应的是前面理论分析中的“过程二”，而 后者液膜破裂时对应的是“临界状态∑”．
表面张力与润湿
内容提要：本书是一部系统、全面论述化学驱法提高石油采收率的著作。
介绍了提高石油采收率的储集层物理基础、驱油机理、方法筛选和应用原则以及矿场实施的风险分析理论等。
⑧木质素磺酸盐(Lignosulfonate，Ls)：木质素磺酸盐是亚硫酸盐法制木浆时的副产品，亦称为磺化木质素。
木浆在与二氧化硫水溶液利亚硫酸氢钙进行反应时形成的木质(P229) 素磺酸混杂在木浆中，通常由亚硫酸纸浆废液经加工浓缩后再用石灰、氯化钙沉淀制得钠盐、钙盐等，其化学结构如图3—2—2所示。
检测表明Ls的结构比较复杂，它是由大约50个4-羧基-3-甲氧基丙苯基的三维多聚物，低相对分子质量的LS多为直链，在水溶液中缔合，高相对分子质量的LS多为支链，在水溶液中呈现聚电解质的性质，高相对分子质量部分难以降解，LS的平均相对分子质量为200一10000不等。
在油田无论用作驱油主剂还是用作牺牲剂的LS，都是从制纸过程产生的废液中提取的，目前采用的LS的品种列于表3-2-1中。
可以将本质素进行改性，引入HS03CH2-，或进行甲基化、羧甲基化、羧乙基化、磺甲基化、甲氧基化改性得到相应的改性产品。
木浆造纸排污对环境会带来污染，为了减少污染，同时又废物利用。
因此，木浆造纸排泄液的提取物——木质素磺酸盐LS，一方面可以用来作为化学驱油主剂的牺牲剂，因为LS的相对分子质量大，当其在固体表面上吸附时能够占据较大的表面积，因此，在注入主驱油剂之前预先注入Ls，使其预先吸附并占据易于产生吸附的岩石表面，以减少驱油主剂在驱替过程中的吸附损失。
另一方面，由于LS也是一种表面活性物质，将其与石油磺酸钠(PS)或其他表面活性剂复配用作表面活性剂驱油的助剂，可以使驱油剂体系具有更好的性能，同时由于其价格低廉，降低了化学驱油剂的成本。
在加拿大和美国的一些大学和石油公司都曾进行了木质素磺酸盐与石油磺酸盐复配用作驱油主剂的研究，并且得到了肯定的结论。
同时，也有资料表明Ls也能够用于油田开发的其他方面，如将LS与烷基酚聚氧乙烯醚类非离子表面活性剂复配能够乳化稠油和沥青，增加其流动能力，从而在稠油开采中能够用作稠油乳化降粘剂。
金属高密勒指数表面能和表面结构的分子动力学研究
按照啥鬻森静定义，瑟稳“徽缍稳”，是攒掰有熬力学菲平衡态懿菇牾续稿在 空间分布的集合：其空间尺寸可以从纳米（如非平衡态的杂质原子）到数米爨级 （粥样品表蕊情况），所对瘟豹对蔺尺度可敬瓢死ｐｓ（原子渤力学过程）蓟几年
（例如，腐蚀、蠕变和疲劳等过程）。从定量上弄清楚材料宏观性质与微观缡构 之间的关系，一直是材料科学研究的一个主要目标。臻实现这一目标，必须确定 和撼迷对榜瓣性质考燕要搏髑的鑫掺缺陷，以及晶掺缺照的黪态襄动态特性。表 １－１熄不同晶格缺陷所确立的微结构体系与其特征尺度之间的对应关系。
郑州大学 硕士学位论文 金属高密勒指数表面能和表面结构的分子动力学研究 姓名：王晓春 申请学位级别：硕士 专业：凝聚态物理 指导教师：贾瑜;胡行
20040501
摘要
金属和半导体材料的高密勒指数表面怒目前表面科学研究的～个热点问题， 也是毽霉更避一步萋秀究鳃阉题，曩｛ｌ｛｝戆磅突主要集中在对袭覆见秘终掏熬确定， 本文根据目前实验上对一些表面已有的研究结果，在理论上对一些愈属的高密勒 指数表面静袭面能翻表面结构送行了研究。采焉半经验嵌入原予势（ＥＡＭ）静分子 动力学方法，计算了具有理想面心立方结构的金属Ａ１、Ｃｕ、Ｎｉ的ｆ００１１晶带（范 围从０００）面至（１１０）街）和卜１１０］晶带（范围从０１０）丽至（１１１）面再到（００１）面） 的袭面能值随角度０的变化曲线。以及理想体心立方结构的金属Ｆｅ的ｆ００Ｕ晶带
表Ｉ－２越糕模拟中的各耱方法与空间尺度（纳观§《微溉层次）的对应美系
空间尺度／ｍ 模拟方法 １０。。１０．６ Ｍｅｔｒｏｐｏｌｉｓ蒙特卡罗
典型应用 热力学、扩散及有序化系统
王Ｏ’撙押１０—６ 懿函变努法（或嚣窝簇变分法）
固体聚合物表面张力与润湿的测定
实验6 固体聚合物表面张力与润湿的测定一、目的要求1．掌握测定固体聚合物表面张力的实验方法。
2．了解固体聚合物表面张力的意义及其实际应用二、基本原理固体聚合物的表面张力（r s）是由于固体聚合物表面上分子间作用力的不平衡而产生的。
在高分子科学中经常需要对聚合物的表面张力进行测定，在聚合物纺丝、聚合物粘接、分散稳定性、液体浸润聚合物、聚合物熔体在固体表面上涂布等方面有重要意义。
固体聚合物表面张力的测定方法主要有三种：1．测量固体与不同液体之间的接触角，根据Girifalco提供的方法，用式(24-1)进行计算：r s =r L×(1+cosθ)/4φ² (24-1)φ=4(V s V L)（1/3）/(V s+V L)2(24-2)式中：r s为固体的表面张力，r L为液体的表面张力，Vs为固体的克分子体积，V L为液体的克分子体积，cosθ为液固间接触角余弦。
2．测量各种已知表面张力液体与固体之间的接触角，制成cosθ- V L图，将所得直线外推至与cosθ=1的直线相交，求得临界表面张力r c，根据Zisman的假定，r s≈r c,从而求得r s。
3．把聚合物熔体表面张力的数据外推至室温时的数据作为r s。
由于第三种方法在固体熔融时会带来高温氧化或分解等现象，故应用较少。
一般常用的是第一种和第二种方法。
三、仪器和样品仪器：接触角测定仪、注射器、瓷盘、滴瓶、烘箱。
待测样品：碳纤维、聚丙烯（片材）、聚乙烯（片材）、聚氯乙烯（片材）。
参考液体：水、乙醇、乙二醇、丙三醇、苯、正己烷、正辛烷、环己酮、苯胺、甲酰胺、三氯甲烷、二碘甲烷。
四、实验步骤及数据处理1．将接触角测定仪放在牢固、平稳、无震动的工作台上，调整好。
2．准备好样品，放在指定位置上。
3．纤维与液体的接触角测定用插入法，板材与液体的接触角测定用倾斜板法。
4．启动开关，使主轴旋转，从显微镜中读出角度值，即所测样品的接触角。
润湿性表征体系及液固界面张力计算的新方法(Ⅰ)
处于稳定状态时 ， 液滴在 固相表面的接触角为 ０ ， 。
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３５ ０８
科
学
技
术
与
工
程
７卷
对 ０点液相 原 子产生 张力 作 用 的面 （ 在 不饱 和 悬 存
到 一９ 。 ０ 为止 （ 试验 的条 件 是 Ａ面 与 Ｂ面 的夹 角
键） 只有 ３个 ， 中， 是 固相 的表 面 张力 ； 是 液 其
摘
要
设计 了一种在有限液 固界面上润 湿性的表 征体 系， 建立 了在 该 系统 中固相 表面 张力 ７ 和液 固界面 张力 ７ 的表达
式。结果表 明， 固相表 面张力 ７ 和 液固界面张力 可以通过液相表 面张力 ７ 和接触角 ０求解， ＝７ 是液 相在 固相 表面完 ｋ Ｙ ｋ 全 润湿的临界条 件。在 此基础 上， 推导 出液相在无 限固相表面上液 固界面张力 的表 达式 ， 明 仅仅是 液相表 面张力 ｙ 表 ｋ 和接 触角 ０的函数 ； 其数值 范围为： ≤ ≤７｜ 因此， Ｏ ｌ 。 固相表面张力 Ｙｓ 液固界 面张力 均可 以通过液 相表面张力 Ｙ 与接 ． 和 ｋ
精 确和 直观 的理 论表 征 ， 对 于 材料 复 合 、 接 、 这 粘 焊 接、 涂料 、 冶金 、 油 及煤 化 工 、 命科 学 、 石 生 物相 分 离
等众多领域具有重要意义， 本文对此作了新 的研究。
１ 计算液固界面张力的 ２ 系统 个
１ １ 有 限液 固界面 系统 ．
然 而 ，ｏｎ Ｙ ｕｇ方程 在使用 过程 中存 在 以下 问题 ：
① 由于固体表面环境复杂以及对固相表面张力的测 定存在 困难 ， ｙ 往往未知； 由于液固界 面张力 ② 也难 以测定 ， 因此 对 Ｙ ｕｇ ｏｎ 方程实 际上无法求 解。 在实际计算时 ， 目前广泛采用经验公式测算 固体 的 表张力和液体 的界面 张力 Ｊ 。如 Ｇ ｏ 、 ｉ ａ ｏ ｏｄ Ｇｒ ｌ ｉｃ ｆ
表面张力
乐山师范学院化学学院 物理化学实验报告学号：10310010 姓名：付晓敏 班级：10化教2班实验题目实验二十 表面张力的测定——最大气泡法平均室温：25 ℃ 平均气压： Kpa 同组人：廖晓红 冯雪玲 徐晓波日期：2013/4/30 一、实验目的1．明确表面张力、表面自由能和吉布斯吸附量的物理意义； 2．掌握最大泡压法测定溶液表面张力的原理和技术； 3．掌握计算表面吸附量和吸附质分子截面积的方法。
二、实验原理液体表面层的分子一方面受到液体内层的邻近分子的吸引，另一方面受到液面外部气体分子的吸引，由于前者的作用要比后者大，因此在液体表面层中，每个分子都受到垂直于液面并指向液体内部的不平衡力.在温度、压力、组成恒定时，每增加单位表面积，体系的吉布斯自由能的增值称为表面吉布斯自由能（J·m -2），用γ表示。
也可以看作是垂直作用在单位长度相界面上的力，即表面张力（N·m -1）。
欲使液体产生新的表面ΔS ，就需对其做表面功，其大小应与ΔS 成正比，系数为即为表面张力 γ：－W =γ×ΔS 根据能量最低原理，溶质能降低溶剂的表面张力时，表面层中溶质的浓度比溶液内部大；反之，溶质使溶剂的表面张力升高时，它在表面层中的浓度比在内部的浓度低。
在指定的温度和压力下，溶质的吸附量与溶液的表面张力及溶液的浓度之间的关系遵守吉布斯(Gibbs)吸附方程：Γ =T dc d RT c⎪⎭⎫ ⎝⎛γ （2）式中，Г为溶质在表层的吸附量，单位mol ·m 2，γ为表面张力，c 溶质的浓度— 由于毛细管液面所受压力大于支管试管液面所受压力，毛细管液面不断下降，将从毛细管缓慢析出气泡。
在气泡形成的过程中，由于表面张力的作用，凹液面产生一个指向液面外的附加压力△P ，因此有以下关系：P 大气 = P 系统 +△P— 附加压力与表面张力成正比，与气泡的曲率半径R 成反比。
— 用已知表面张力的液体作为标准，可以测得仪器常数K ，也可以测定其它求知液体的表面张力。
润湿性表征体系及液固界面张力计算的新方法_2
( 19 )
通过式 ( 18 ) 和式 ( 19 ) , 可以方便地对 γsg和 γsl 进行精确计算 。
图 3 固体的表面张力与接触角 θ 的关系曲线
[ 21 —24 ]
( 6)
1 2
其中 W 是色散力对粘附功的贡献 , 近似表示为 :
W = 2 (γ 1γ 2 )
p
( 7)
W 是界面间的极性对粘附功的贡献 , 表示为 : W = 2 (γγ )
p p 1 p 2
1 2
( 8)
在 Fowkes 研究的基础 + 上 ,提出根据物质表面的酸碱作用 (分别为 γ , γ ) 表征物质间的极性问题 , 将粘附功表示为 : LW AB ( 9) W a =W +W 其中 W 是非极性的 Lond- Van der W aals力作用部 分:
润湿性表征体系及 液固界面张力计算的新方法 ( Ⅱ)
朱定一 张远超 戴品强 罗晓斌
(福州大学材料科学与工程学院 ,福州 350002)
摘 要 在有限液固界面的润湿性表征及计算方法的基础上 ,对比了所推出的理论计算解与 Y- G- G经验方程及 Y- G- G- FV 方程解之间的差异 ; 通过润湿性试验对理论公式进行了计算验证 。结果表明 ,除了 θ = 0 ° 和 θ = 180 ° 以外 ,所研究理论解的
W a =W +W
d d d d d p
[ 1 —5, 9, 10 ] [ 11 —13 ]
LW
+
-
+ - (γsgγlg )
1 2
+ - (γsgγlg )
1 2
]
( 15 )
Fowkes、 Owens和 W endt 等
计算固体表面能的Young-Good-Girifalco-Fowkes方程的理论基础
计算固体表面能的Young-Good-Girifalco-Fowkes方程的
理论基础
宋华杰;董海山;郝莹
【期刊名称】《粘接》
【年(卷),期】2000(021)005
【摘要】根据Lifshitz理论在凝聚体系分子间作用方面的应用成果,并结合Good R J 和Fowkes F M 等人的研究成果,阐述了粘附功的色散、偶极和诱导作用分量可用统一的几何方程来表达的理论根据;同时,根据酸碱作用理论的新成果,并通过类比的方法,得到了粘附功的酸碱作用分量的四参数方程.如此,我们便基本上清楚地阐明了通过接触角来计算固体表面能的Yo ung-Good-Ginfalco-Fowkes方程的理论来源.
【总页数】5页(P1-5)
【作者】宋华杰;董海山;郝莹
【作者单位】中国工程物理研究院化工材料研究所,四川绵阳市,621900;中国工程物理研究院化工材料研究所,四川绵阳市,621900;中国工程物理研究院化工材料研究所,四川绵阳市,621900
【正文语种】中文
【中图分类】TB9
【相关文献】
1.超临界CO2的PR状态方程参数α——固体在超临界CO2中溶解度计算 [J], 陈树琳;吴大可
2.基于杨氏方程的固体表面能计算研究进展 [J], 刘永明;施建宇;鹿芹芹;郭云珠;陈瑞卿;尹大川
3.高表面能固体的润湿性实验及表面张力计算 [J], 罗晓斌;朱定一;乔卫;石丽敏
4.PR方程对固体溶质的模拟计算 [J], 解祥夫;赵贵哲;刘亚青
5.基于等温状态方程数据计算不同温度的固体热膨胀系数 [J], 贾寅亮;何力军因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
第四章 表面张力与润湿作用
Colloid & Surface Chemistry
33
一、毛细现象
液体表面张力的存在而引起的液体
表面形态、性质变化的各种现象。
Colloid & Surface Chemistry
34
二、弯曲界面的内外压差——laplace公式
弯曲液面的表面现象不同于平面
Colloid & Surface Chemistry
40
二、Laplace公式
液滴越小，液滴内外压差越大，即凸液面
下方液相的压力大于液面上方气相的压力；
若液面是凹的，此时凹液面下方液相的压
力小于液面上方压力；
若液面是平的，压差为零。
Colloid & Surface Chemistry
41
二、Laplace公式
对于弯曲液面，若将液相作为内侧，液面的 曲率半径可能是正的也可能是负的：
衡量三个润湿过程自发进行的条件及 含义是什么？
GO
Colloid & Surface Chemistry
9
主要内容
第一节 表面张力和表面能
第二节 液-液界面张力
第三节 毛细作用与Laplace公式和
Kelvin公式 第四节 润湿作用和杨方程 第五节 固体表面能
Colloid & Surface Chemistry
小关系是：
。
（ Wa＞Ws＞S ）
Colloid & Surface Chemistry
5
问 题
影响接触角的因素主要有： 、 、 和 。 （物质的本性、润湿角的滞后现象、固体表面的粗糙性
固体聚合物的表面张力研究
各测试液的表面张力 !& 及表面张力色散分量
# $ !& 和表面张力极性分量 !& 分量如表 & 所示。
表&
表面张力
# 各测试液的 !& ， 和 !$ !& ， & 数值
・ 9 !& > 9? 水 甘油 甲酰胺 二碘甲胺 溴代萘 %!4* 1#43 ’*4! ’"4* 3341
)&
・ 9 !& > 9?
劲。不过， 层内的 ./01! 纤维几乎没被树脂浸渍。 故当弹头沿着这一硬!软!硬!软的介质前进时是 很容易按照光学的折射原理而产生拐弯的。当转 不再前进而停下， 而剩余 3%4后弹头阻力面积增大， 的动能和中弹后进入材料猛烈摩擦产生的热一下子 在停下 （驻弹） 的地方急剧释放， 使两侧材料迅速受 热膨胀而分层并使外层 （即底部） 的纤维也胀断。如 欲使底层纤维保护好， 目前板厚 #:#)) 是不够的， 要多铺设一些 ./01! 布。板厚设计在 #& ’ #()) 较合适。
（!） （+）
!"#$% &’ !#()*+, ",’!-&’ &) !&.-$ /&.%0,( BC1 -D’EF>，G. H#D’IFJ> （ K>$LFLDLM #N OPM0F$LQR，OPF>J ."JSM0R #N B"FM>"M，AMFEF>< !)))5)，OPF>J） *1234563：TMLLF>< "QFLF"JU $DQNJ"M LM>$F#>（ !! ）#N V#UR0MQ NFWQM J>S VUJLM JQM SMLMQ0F>MS WR F>"UF>JLF#> J>S （下转第 !! 页）
润湿性表征体系及液固界面张力计算的新方法(Ⅱ)
第一作 者简介 ： 朱定一 （ ９ ８ １ ５ 一）， ， 男 教授 ， 博导 ， 究方 向： 研 材料 物理化学 ， － ｉ： ｙ０ １ ６ ． ｄ 。 Ｅｍａ ｚ ７ ８ ＠１ ３ ｏｉ ｌｄ ｎ
可 以得到 ：
＝
２ √ ｌ２
＝ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ。
Ｓ ｉｎ ｅ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ｎ ｎ ｃ ｒｎ ｃ ｅ ｃ ｅ ｈ ｏｏ ｙ ａ ｄ Ｅ ｎ ｉ ｇ ｅ
润 湿 性表 征 体 系及 液 固 界 面 张 力计 算 的 新 方 法 （ Ⅱ）
朱定一 张远超 戴品强 罗晓斌
（ 福州大学材料科学与工程学 院， 福州 ３Ｏ ０ ） ５０ ２
（） ４
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科
学
技
术
与
工
程
７卷
将 Ｇ Ｇ方程 与 Ｙ ｕｇ方程 结合 得到 ： — ｏｎ
伽 ㈥
式 （ ） 为 Ｙ ｕ ｇＧ ｏ — ｉｆ ｃ —ｏ ｋ ｓＶ ｎ １ 称 ３ ｏ ｎ — ｏｄＧ ｒａ ｏＦ ｗ ｅ— ａ ｉｌ Ｏｓ ｓ 方程 ， 简称 Ｙ Ｇ Ｇ Ｆ Ｖ方程 。在 式 （ ３ 中 ， —— —— １ ） 只
（） １ 式称为 Ｇ Ｇ方程， — 也称几何平均方程。其 中相互作用 因子 是与固相 和液相表面性质有的 参数 ，ｏｄ７ Ｇｏ ［将其表示为 ： ］
＝ ｖ ＾
＝ ＝
相就 可 以在 固相表 面完全 润湿 。问题是 在不 同润 湿
条件下 ，。 。 值究竟有多大 目前 尚无 确定的理论解。 研究者普遍认 为ｕ 当液相 在 固相表 面完全润湿
研究理论方程之间的差异。
２ ０ 年 ３ ６日收到 ｏ７ 月 国家 自然科学基金（０ ７ ０７ 资助 ５ ４ １０ ）
电子教案与课件：《应用胶体与界面化学》第三章 表面张力与润湿作用
一、Laplace公式的简单导出
由 Laplace 公式表示出以下内容。①Δp 指弯曲液面内外压力差即 Δp=p 内-p 外，p 内通常 指曲率半径为正值一侧的压力，如图 3.1 中气泡内的压力。这一规定并非一定遵守，只是 在确定曲面那一侧为内侧后要判别曲面曲率半径的正负号。根据式(3.8)，图 3.1 中气泡 内的压力应大于液相中的。②对于弯曲液面，若将液相作为内侧，液面的曲率半径可能是 正的，也可能是负的，如图 3.1 所示，以液相为内侧，气液界面曲率半径即为-r，这种液 面称为凹液面；若考虑在气相中的小液珠(与图 3.1 相似，只是将图中气体和液体互换)， 以液相为内侧，弯曲液面曲率半径为 r，这种液面常称为凸液面；形成凸液面时，△p＞0， 液相内压力大于另一侧气相的；形成凹液面时，△p＜0，液相内压力小于另一侧气相的； 平液的 r=∞，Δp=0，液体内压力与气相一侧的相等。③根据 Laplace 公式，r 越小，△p 越大。表 3.4 中列出水中小气泡的大小(半径)与泡内外压力差△p 的关系：
第三章 表面张力与润湿作用
第一节 液体的表面张力
一 、 几个小实验 二 、 液体的表面张力 三 、 决定和影响液体表面张力的主要因素
一 、 几个小实验
在石蜡表面上的小水滴会自动成球形；在水面上用简单的方法可使金属针(或分 值硬币)漂浮，但不能使它们悬浮于水中；从管口缓慢自然形成的液滴形状与橡 胶薄膜中盛水悬起的形状很相似；插入水中的毛笔笔毛是分散开的，当笔头提 出水面后笔毛并拢，成一体状。这些实验现象说明：①液体表面与体相液体的 性质不完全相同；②液体表面似存在一弹性膜；③液体表面有自动缩小的本能。 液体表面的这些特点可从力学和能量的角度予以解释。
润湿性和表面能
润湿性和表⾯能
考查附着⼒时润湿性是必须的标准。
附着机理只有当底材和涂料达到有效润湿时才起作⽤。
润湿性测定可参考⽂章；润湿⾓测量仪-测量液体对固体的润湿性。
表⾯的润湿可从热⼒学⾓度描述,涂料在液态时的表⾯张⼒以及底材和固态涂膜的表⾯能是影响界⾯连接强度和附着⼒形成的重要参数。
均相的固体或液体表⾯的分⼦或原⼦的周围环境与内部不同。
在内部分⼦被相同的分⼦所包围,分⼦间的距离由把分⼦拉到⼀起的吸引⼒和阻⽌分⼦占据同⼀位置的排斥⼒的平衡决定;⽽界⾯上的分⼦各个⽅向受⼒不均匀,它们和表⾯以上的空⽓相互作⽤,同时受表⾯以下分⼦的吸引。
表⾯下的分⼦倾向于将表⾯分⼦向内拉,使表⾯分⼦数最⼩,因⽽表⾯积也最⼩,这种吸引提⾼了液体的表⾯张⼒,并可解释液体以液滴形式存在,好象被⼀层弹性表⽪覆盖。
⽽且表⾯分⼦间的距离⽐体相⼤,因⽽能量更⾼。
表⾯能和接触⾓测定可参考接触⾓测定仪|接触⾓测量仪|接触⾓测试仪。
分⼦从内部移到表⾯需要做功,液体增加单位表⾯积导致
的Helmholtz⾃由能的增加值定义为表⾯张⼒。
润湿性和表⾯能相关资料；全⾃动接触⾓测量仪
视频接触⾓测定仪|润湿⾓分析仪。
基于接触角法计算固体表面张力的研究进展
19 期
罗晓斌 , 等 : 基于接触角法计算固体表面张力的研究进展
4999
由式 ( 7 ) 可以看出只要 C 已知 , 即可求出 lg 和 H C sg。 Antonow 等式 虽 然 简单 , 但没 有 任 何 的理 论 背景
[ 4]
U=
W 12 (W 11W 22 ) 2
1
( 14 )
。
[ 22 ]
第一作者简介 : 罗晓斌 , 男 , ( 1983) ) , 硕士研究生。 * 通讯 作 者简 介 : 朱 定一 , 教 授 , 博 导。 E -m ai:l zdy7081@ 163. com。
4998
科
学
技
术
与
工
程
7卷
法等
[ 6, 7]
。
1 . 2 状态方程法 ( Equation of state approach) 状态方程理 论是基于当静 态液滴在理想 固体 表面达到平衡时 , 液 固、 气-固、 液-气三种界面张力 存在一种状态关系式, 且此三相两组元热力学系统 的自由度 为 2
针 对液-固界 面 系统 将 ( 14 ) 式与 式 ( 9 ) 结 合 可得 : 首次用几何平均规则建立 C sl = C sg + C lg - 2U C sg C lg ( 15 ) 式 ( 15) 即所谓的 G-G 方程, 该方程实际上是对 式 ( 12 ) 做了修改。一般对于 / 规则 0的界面 , 即两相 的内聚力和界面的粘结力相同的系统, U值趋近于 1 ; 而当各相间的主要作用力不同时 ( 如范德华作用 ( 8)
[ 7, 16 ]
。三 种界面张力用 G ibbs -Duhe m
sg sg
等式可表达成 : ´
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总第 116 期 Dec .2008
高表面能固体的润湿性实验及表面张力计算
罗晓斌 , 朱定一 , 乔 卫 , 石丽敏
(福州大学材料科学 与工程学院 , 福建 福州 350108)
【摘 要】 采用 座滴法 在 1100℃及氩 气与 CO 混合 气氛的 环境 中 , 研究 了 A u 、Ag 、Cu、G e 、Sn 五种 金属 在 A l2 O3 、SiO2 、Z rO2 、高定向热解石墨的(0001)基面 四种固 体表面 上的润 湿性 , 用 A DSA 滴形分 析软 件测量 了接 触 角 。 通过新的理论方程分别计算了四种固体材料的表 面张力 。 结果表 明 , 在 同一种 陶瓷表 面上 , 接触角 随着金 属 液体表面张力的增加而增大 , 所计算的固 体表面张力数值具 有较好 的一致性 , 表 明所建 立的理论 公式能 够正确 反 映液 、固 、气三相之间的张力平衡关系 。 在 1100℃时 , 上述四种固体材料表面张力的平均值分别为 340 .24 、457 .79、 357 .52、431.35(mJ · m -2)。
将式(4)求导 , 可以很容易得到 接触角在 120°附近存 在 一极值 , 表明在无限固相平面 系统中 , 在该 区域附 近固体 表 面张力的变化对接 触角的 影响 敏感 , 进 行 实验 测量 和计 算 所得数值会相对精确 ;而当接 触角较 小时(0 ～ 35°), 固体 表 面张力的变化对接 触角的 影响 不敏 感 , 受 实际 固体 表面 微 观凹凸不平的影响 , 固体表面张 力值逐 渐进入 试验的“ 测 不 准” 区域[ 5, 6] 。 式(4)和 式(5)的导 出与 Y oung 方程 在本 质 上相同 , 两者均建 立在 非反应 型液 固界 面 张力 平衡 的基 础 上。
第DO2I 6:卷10.1 413第6/6j 期 .cnki .issn1673 -2812.20材08. 06料.01 6 科 学 与 工 程 学 报
Vo l.26 Noence & Engi neeri ng
文章编号 :1673-2812(2008)06-0932-05
2 固体表面张力的计算方法
文献[ 5 , 6] 通过建立有限液固界面润湿体系 , 推导出在 无
限液固界面系统中固相表面张力和 液固界 面张力 的计算 方
法 。 图 1(a)为有限 液固 界面润 湿体 系的 张力分 布 , 通过 理
论分析和实验 得 出 , 在 平衡 状 态 下 , 接 触角 的 数值 范 围 为
3 实 验
3.1 样品及制备 试验选用非反应型液固界面 或界面 相互作用 较弱的 液
体和固体材料 , 同时 选用的液 体表面张力 较大 , 以使 γsg/ γlg 的比值落在接触角变化比较敏 感的区 域 。 所用固 体材料 有 A l2 O3(纯 度为 99 %)、SiO2 石英 玻璃 、Z rO 2(含 6%w t.Y 2O 3 稳定剂)、高定向生长热解石墨 的(0001)基面 。 为 保证表 面 的光滑 度 , 对 于 A l2 O3 、Z rO 2 固 体 表 面 , 依 次 用 粒 度 为 1.5μm , 1 .0μm , 0 .5μm 的金刚石 研磨 膏抛光 。 SiO2 石英 玻 璃不需抛光 , 表面经清洗 后直接 使用 。 对高 定向生 长石墨 , 以水为介质将其在抛光布上抛 光 , 直 至镜面 , 用原 子力显 微 镜(A FM)测得表面粗糙度 Ra 的范围为 100～ 200nm 。 金属 选用了 A u、A g 、Cu 、G e 、Sn 共 5 种 , 将所 测金 属试样 质量 控 制在 0.1～ 0 .2g , 以减小 重力 对润湿 角的 影响 , 用细 砂纸 磨 去其外层的氧化膜 , 所有样品在丙酮溶液 中用超声波 清洗 3 次并吹干 。 表 1 所列为 5 种金属样品的相关参数 。
γsg = γs l +γlg cosθ1 , 0 ≤ θ1 ≤ 180°
(3)
此式即为 Y oung 方 程 。 对同 一种固体 与液体 , 由 于表面 与
界面性质不变 , 将式(1)和式(2)代入 Young 方程式(3)中 解 析可得 :
γsg
=
γlg 2
·
1 + sin2θ1 +cosθ1 , 0 <θ1 ≤ 180°(4)
(College of Materials Science and Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China)
【Abstract】 T he w etting of A u, A g , Cu , Ge and Sn on the Al2O 3 , SiO2 , Z rO2 and(0001)basal plane of highly o riented py ro ly tic g raphite (H OPG) was investig ated by sessile drop metho d under ar go n mix ture CO atmosphe re at 1100℃.T he co ntac t ang les wer e mea sured by A DSA so ftwa re .The surface tensio ns o f four substr ates w ere calculated by new theo retical equa tion .T he results sho w tha t the co ntact ang les on the same ceramic sur face increa se w ith an increase of liquid metal sur face tensio ns , the solid sur face tension calculated w ith the new theor etical equatio n is well consistent , which indica tes that the establishing theo retical for mula can co rrec tly reflect the equilibrium relation o f tensio n among liquid, solid and vapo r phases .T he ave rage value s of sur face tension o f fo ur substrates mentio ned abov e a re 340 .24 , 457.79 , 357.52 , 431.35(mJ · m-2)re spectively a t 1100℃.
γsl
=
γlg 2
·
1 +sin2θ1 -co sθ1 , 0 < θ1 ≤ 180°(5)
式(4)和式(5)就 是在 无限固 相平 面系统 中 , 固 相表 面张 力
γsg 和液固界面张 力 γsl 的表 达式 , 从 式中 可以 看出 γsg 和 γsl 仅仅是液相表面张力 γlg 和接 触角 θ的 函数 。 因 此 , 通过 实 验测量接触角 θ和液相 表面 张力 γlg , 就 可以 准确计 算出 固 相表面张力 γsg 。
90°≤θ2 ≤180°, 固相表面张力和液固界面张力有以下关系 :
γsg = γlg sinθ2 , 90°< θ2 ≤ 180°
(1)
γsl =-γlg · co sθ2 , 90°≤ θ2 ≤ 180°
(2)
式(1)表明在有限液固界面润 湿体系 中 , 固 相表面 张力仅 仅
是液相表面张力 γlg和接触角 θ的函数 。 图 1(b)为无 限平面 液固界面润湿性表征系统 , 由表面及界面张力 平衡可得 :
表 1 金属样品的相关参数 Table 1 Relevant parameters of metal samples
M et al s
Pu rit y/ %
M elti ng poin t/ ℃
γlg/ (mJ · m -2) at 1100 ℃＊
图 1 液体在固体表面上的张力分布 (a)有限 液固界面 ;(b)无限液固界面
Fig .1 Tension dist ribu tion of li qui d on t he solid su rface (a)li mit ed liquid-solid i nt erf ace;(b)limit less liquid-solid int erf ace
【Key words】 hig h surface ene rgy solid ;surface tensio n;sessile drop method ;contact ang le ;we ttability
1 引 言
表面张力是一个 重要 的热 力学 参量 , 所谓 高表 面能 固 体是指表面张力大于 100 mJ · m -2 的固 体 , 如陶瓷 、金属 及 其氧化物等 。 由于金属/ 陶瓷 的 润湿 性与 金 属基 复合 材 料 的开发 、硬质合金 和涂 层材 料的 生产 、金属 与陶 瓷的 焊接 、 冶金过程中金属与 渣的分 离等 密切 相关 , 获取 固体 材料 的 表面张力数据对于科学研究及 工业生 产极为重 要 。 但由 于 固体表面的原子失 去了流 动性 , 通 过试 验 直接 测量 其表 面 张力目前存在一定 的困难 , 特 别是 高表 面 能固 体采 用润 湿
收稿日期 :2007-12-12 ;修订日期 :2008-01-25 基金项目 :国家自然科学基金资助项目(50471007);福建省自然科学基金资助项目(E0710006) 作者简介 :罗晓斌(1983-), 男 , 硕士 , 主要从事材料表面物理化学研究 。 E-mail :luoxiao bing2002@163 .com . 通讯作者 :朱定一 , 博士 , 教授 , 博士生导师 。 E-m ail :zdy7081@163 .co m