第五章固液界面解析

第五章固-液界面

要求：掌握Young 方程和接触角；了解粘附功和内聚能，Young-Dupre公式，接触角的测定方法，接触角的滞后现象，以及固体表面的润湿过程；理解固液界面的电性质，即扩散双电层理论，包括:Gouy-Chapman理论，Debye-Hukel 对Gouy-Chapman公式的近似处理，Stern对Gouy-Chapman和Debye-Hukel 理论的发展；理解动电现象，平面双电层之间的相互作用，球状颗粒之间的相互作用；掌握新相形成，即成核理论，以及促进成核的方法。

§5.1 Young方程和接触角

1、固体表面的润湿

固体被某种液体润湿或不能润湿，叫亲某种液体或疏（憎）某种液体，例如：亲水性（疏油性，疏气性）；亲油性（亲气性，疏水性）。

根据水对固体表面的亲、疏性大小，水滴在固体表面，会出现如图5-1所示三种情况。

三相接触周边：液滴在固体表面，会存在固液气三相接触线，将液滴在固体表面铺展平衡时的固液气三相接触线叫三相平衡接触周边。

σ和平衡接触角或接触角θ：三相平衡周边任意一点上的液气界面张力

lg σ之间的夹角，叫润湿接触角θ，如图5-2所示。

液固界面张力

ls

接触角θ可定量描述固体被液体润湿的大小，接触角越小，润湿性越好，接触角越大，润湿性越差。一般分下面三种情况：

（1）θ< 90o 时：被润湿，润湿过程对外做功，有放热现象；

（2）θ= 90o

时：中等，无现象； （3）θ> 90o 时: 不被润湿，外界对系统做功，有吸热现象。

3、Young 方程

如图5-2 所示，润湿周边任意一点上，当润湿达平衡时，其在水平方向上的受力合力应为零，则应有：

0cos lg =-+sg ls σθσσ

θσσσcos lg +=ls sg （5-1） 上述方程即为Young 方程，它是研究固液润湿作用的基础方程。

§5.2 粘附功和内聚能

设有α，β两相，其相界面张力为αβσ，如图5-3所示，在外力作用下分离为

独立的α，β两相，表面张力分别为βασσ，。在这一过程中，外界所作的功为a W ：

αββασσσ-+=a W （5-2） a W 是将结合在一起的两相分离成独立的两相外界所作的功，叫粘附功。

若将均相物质分离成两部分，产生两个新界面，如图5-4所示，则上式中，

βασσ=，0=αβσ，则上式为：

σσσσαββα2=-+=c W

这里c W 为内聚功或内聚能。物体的内聚能越大，将其分离产生新表面所需的

图5-4 均相的分离

§5.3 Young-Dupre 公式

对固液界面，式（5-2）粘附功为：

sl s sl W σσσ-+=lg （5-3）

由Young 方程知：

θσσσcos lg +=ls sg （5-4）

上两式中，s σ为固体处在真空中的表面张力，sg σ为固体表面为蒸汽饱和时的表面张力，两者之差为扩展压：

sg s σσπ-=

因为在气固液三相系统中，固气，液气均达到平衡，即固、液表面都吸附了气体，故式（5-3）变为：

sl sg sl W σσσ-+=lg （5-5）

与Young 方程结合，可得：

)cos 1(lg θσ+=sl W （5-6）

上式即为Young-Dupre 方程，它将固液之间的粘附功和接触角联系起来。接触角越小，粘附功越大，液体越容易润湿固体。

§5.4 接触角的测定方法

接触角的测定方法很多，主要有以下几种。

1 、停滴法

在光滑、均匀、水平的固体表面上放一小液滴，因液滴小，重力作用可忽略。将液滴视作球形一部分，测出液滴高度h 与底宽2r （见图5-5）。有简单

的几何分析可求出θ。

2

22sin r h +=θ 222h

r tg -=θ

图5-5 停滴法测接触角

2、气泡法测接触角

将光滑、均匀、水平的固体表面放在液体中，在固体表面下方滴入一小气泡，通过显微放大作图法可测接触角，如图5-6

所示。

图5-6 气泡法测接触角

3、吊片法测接触角

将表面光滑、均匀的固体薄片直接插入液体中，如果液体能够润湿此固体，则将沿薄片平面上升（见图5-7），升高值h 与接触角之间关系为：

lg

2

21sin σρθgh -=

4、电子天平法测接触角

测定纤维对浸润液的接触角对纤维增强复合材料很重要，可用电子天平

图5-8 电子天平法测接触角

电子天平测出的力变化如图5-9 所示。

图5-9 电子天平测得的力的变化P ∆

如果液体完全润湿纤维，则：

l r P σπ⋅⋅=∆2

如果液体与纤维之间接触角为θ，则有：

θσπcos 2l r P ⋅⋅=∆

因此，只要知道纤维半径r 和液体表面张力，就可测吃接触角θ。

§5.5 润湿过程的三种类型

润湿过程有三种类型：粘附润湿（adhesion wetting ）, 浸湿润湿( immersion wetting)和铺展润湿(spreading wetting)。

1、粘附润湿过程

这是液体直接接触固体，变气液表面和气固表面为液固表面的过程。如图5-10所示，液体粘附在固体表面能否自发进行，决定于粘附过程中，自由焓的变

图5-10 粘附润湿

化值是否小于零，即：

a sg sl W a a G ⋅-=--⋅=∆)(lg σσσ

由上式可知，0<∆G ，即粘附功0>a W 时，粘附润湿能自发进行，并且粘附功越大，粘附越牢。

2、浸湿过程

在固体直接浸入液体的过程中，原来的气固表面为液固表面所代替，见图5-11。

若固体面积为A ，则浸湿过程中系统自由焓变化为：

i sg sl i W a a G ⋅=-⋅=∆)(σσ

i W 为浸润功，它的大小反映液体在固体表面上取代气体的能力。令i W A -=，称A 为粘附张力。由热力学平衡准则可知，只有0〉A 的过程才能发生浸润。 0〈A 时不能浸湿，这时密度小于水的固体将浮于水面，密度大的，将沉于水底，取出后可发现没有被水浸润。这是因为粘附张力为负值，液体分子与固体表面的粘附力小于液体分子自身的内聚力之故。

3、铺展浸润过程

如图5-11所示，铺展润湿是液体与固体表面接触后，在固体表面排除空气而自行铺展的过程，也即一个以液固界面取代气固表面同时液体表面也随之扩展的过程。