材料表面与界面习题含答案.doc

第一章

1、什么是Young 方程？接触角的大小与液体对固体的润湿性好坏有怎样的关系？

答：Young 方程：界面化学的基本方程之一。它是描述固气、固液、液气界面自由能γsv ，γSL ，γLv 与接触角θ之间的关系式，亦称润湿方程，表达式为：γsv -γSL =γLv COSθ。该方程适用于均匀表面和固液间无特殊作用的平衡状态。

关系：一般来讲，接触角θ的大小是判定润湿性好坏的依据，若θ=0.cosθ=1，液体完全润湿固体表面，液体在固体表面铺展；若0＜θ＜90°，液体可润湿固体，且θ越小，润湿性越好；90°＜θ＜180°，液体不润湿固体；θ=180°，完全不润湿固体，液体在固体表面凝集成小球。

2、水蒸气骤冷会发生过饱和现象，在夏天的乌云中，用飞机撒干冰微粒，试气温骤降至293K ，水气的过饱和度（P/Ps ）达4，已知在293K 时，水的表面能力为0.07288N/m ，密度为997kg/m 3，试计算：

（1）在此时开始形成雨滴的半径。

（2）每一雨滴中所含水的分子数。

答：（1）根据Kelvin 公式有

开始形成的雨滴半径为：

将数据代入得：

（2）每一雨滴中所含水的分子数为N=N A n ，n=m/M=ρV/M ，得

个661002.6018.03997)1079.7(14.34)(34233103'=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯===-A A N M R N M V N ρπρ

3、在293k 时，把半径为1.0mm 的水滴分散成半径为1.0μm 的小水滴，试计算（已知293K 时水的表面Gibbs 自由为0.07288J .m -2）（1）表面积是原来的多少倍？

（2）表面Gibbs 自由能增加了多少？（9分）

答：（1）设大水滴的表面积为A 1，小水滴的总表面积为A 2，则小水滴数位N ，'2ln 0R RT M P P ργ=0ln 2'p p

RT M

R ργ=m R 101079.74ln 997293314.8018.007288.02'-⨯=⨯⨯⨯⨯⨯=

大水滴半径为r 1,小水滴半径为r 2。

212

21244r r N A A ππ=

又因为将大水滴分散成N 小水滴，则

32313434r N r ππ= 推出 321⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=r r N =93100.1mm 0.1=⎪⎭⎫ ⎝⎛um 故有 ()()10000.140.141022

912=⨯⨯⨯=mm um A A ππ 即表面积是原来的1000倍。

（2）表面Gibbs 自由能的增加量为

()()

212212421r Nr r A A dAs G A A -=-==∆⎰πγγ

=4*3.142*0.07288*[109*（10-6）2-（10-3）2] =J 4-1015.9⨯

第二章

1、什么是CMC 浓度？试讨论影响CMC 的因素。请设计一种实验测定CMC 的方法。

答： （1）CMC 浓度是指随着表面活性剂浓度上升，溶液的表面张力逐渐下降，直至表面张力几乎不变时所发生转折时的浓度。

（2）疏水基的影响、亲水基、温度、添加剂（电解质、有机物）。

（3）测定方法：测定电导率、渗透压、冰点、增溶性、洗净力等物理量发生显著变化的转折点

2、温度对离子型表面活性剂和非离子型表面活性剂溶解度的影响有什么不同？为什么离子型表面活性剂在K.P 点以上溶解度迅速增大，而非离子型表面活性剂溶液在C.P 点变成浑浊？

答：（1）离子型：在足够低的温度下，溶解度随温度升高而慢慢增大，当温度达到一定值后，溶解度会突然增大——Krafft 现象

非离子型：溶解度随温度升高而下降，当温度升高到一定温度时，溶液会突然变浑浊

（2）离子型：表面活性剂以胶束形式溶解

非离子型：温度上升时，氢键被削弱，达到C.P.点时，氢键断裂，表面活性剂从溶液中析出，溶液变得浑浊。

3、试求表面活性剂十二烷基苯磺酸钠的HLB值。

答：十二烷基苯磺酸钠HLB=ΣH−ΣL+7=38.7−(12+6)×0.47+7=37.24

第三章

1、试讨论用液态氧化法处理聚合物的优缺点。

答：优点：（1）可润湿性大大增加（2）表面张力增大（3）与各种液体接触角明显减小，粘接性能大大增加。缺点：氧化处理会有大量的酸废液产生，污染严重。

2、聚合物表面接枝有哪些方法？其原理各是什么？

答：（1）表面接枝聚合大分子偶合添加接枝共聚物

（2）表面接枝聚合：在光、辐射线、紫外线、等离子体使聚合物表面产生活性种，引发乙烯基单体自由基聚合，进行表面接枝。

大分子偶合：聚合物表面产生反应性活性基团，使之与带有反应基团的大分子反应偶合，实现其表面接枝。

添加接枝共聚物在欲改性的高聚物中添加有界面活化性能的共聚物成型，共聚物亲基材段嵌入到基材内部，留下接枝段在基质聚合物的表面上，达到表面改性的目的。

3、分别用等张比容和内聚能密度法估算下列高分子化合物的表面张力。

1)聚苯乙烯

2)聚乙二醇（聚氧化乙烯）

第四章

1、什么是偶联剂？说明硅烷偶联剂对玻璃纤维增强塑料的作用机理。用偶联剂进行表面处理有哪些方法？

答：（1）偶联剂是分子含有两种不同性质基团的化合物，其中一种基团可与增强材料发生物理或化学作用，另一种基团可与基体发生物理或化学作用。（2）①X 基团的水解，形成硅醇；②硅醇的羟基之间以及硅醇的羟基与玻璃纤维表面的羟基形成氢键；③硅羟基间脱水形成硅氧键。

2、高性能纤维的表面处理方法有哪些？

答：（1）表面清洁处理（2）表面氧化处理（3）表面涂层（4）化学气相沉积（5）电聚合处理（6）低温等离子处理（7）表面接枝

3、什么是化学键理论？化学键理论有什么缺陷？举例说明化学键理论在碳纤维表面处理中的应用。

答：（1）化学键理论认为两相之间实现有效的粘接，两相的表面应含有能相互发生化学反应的活性基团，通过官能团的反应以化学键合形成界面。若两相不能进行化学反应，也通过偶联剂的媒介作用以化学键相互结合。

（2）缺陷：不能解释以下现象①有些偶联剂不含有与基体树脂起反应的活性基团，却有很好的处理效果。②偶联剂在增强纤维表面有多层结构而并非由化学键理论推导的单层结构，③基体树脂固化，热应力松弛效应。

（3）应用：在表面氧化或等离子、辐射等处理过程中，纤维表面产生了羧基、羟基等含氧活性基团，提高了与环氧等基体树脂的反应能力，使界面形成了化学键，大大提高了粘接强度。

第五章

1、纤维对液体的接触角的测定的方法有哪些？

答：（1）单丝浸润法（2）单丝浸润力法（3）毛细浸润法

2、简述单丝抜脱实验

答：将单根纤维单丝的一部分垂直埋如基体之中，然后将单丝从集体中拔出，测定纤维抜脱的应力，从而求出纤维与基体间的界面剪切强度。

3、界面结合强度是否越强越好？为什么？

答：（1）界面结合不是越强越好（2）原因：当界面结合强度大于基体强，应力不能沿界面缓解，直接作用到纤维断口的基体上，使基体首先在纤维的断点处破坏并形成裂缝。在持续外力的作用下，裂缝沿垂直于纤维轴方向向基体纵深进一步发展，这一裂缝还会引起附近纤维的连锁断裂，导致复合材料断裂。所以