液体对固体的润湿作用
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W a G g s g l ls
从式知γsl越小，则Wa越大，液体越易沾湿固体。若 Wa≥0， 则ΔG≤0，沾湿过程可自发进行。
可编辑版
3
浸湿
浸湿是将固体完全浸入到液体中的过程，如将衣服浸泡在水中。 浸湿过程引起的体系自由能的变化为
Glsgs
如果用浸润功Wi来表示，则是
W i Ggsls
可编辑版
14
❖ 光反射法
用强的光源通过狭缝，照射到三相交界处，改变入射光的方向， 当反射光刚好沿着固体表面发出时，可以根据入射光与反射
光的夹角2 计算接触角。
2
可编辑版
15
非理想固体表面上的接触角 一般固体表面，由于： （l）固体表面本身或由于表面污染（特别是高能表面）， 固体表面在化学组成上往往是不均一的； （2）因原子或离子排列的紧密程度不同，不同晶面具有不 同的表面自由能；即使同一晶面，因表面的扭变或缺陷， 其表面自由能亦可能不同； （3）表面粗糙不平等原因，一般实际表面均不是理想表面， 给接触角的测定带来极大的困难。
判断条件仍为我们解决润湿问题提供了正确的思路。
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7
接触角和 Young方程
将液滴（L）放在一理想平面（S）上如果有一相是气体，则接触角
是气一液界面通过液体而与固一液界面所交的角。1805年，Young指出，
接触角的问题可当作平面固体上液滴受三个界由张力的作用来处理。当
三个作用力达到平衡时，应有下面关系
本节主要讨论表面粗糙度对接触角的影响。
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16
表面粗糙度的影响
将一液滴置于一粗糙表面，
有
r(gsls)glco's
或
c
os '
r(gs ls) gl
此即Wenze1方程，是Wenzel于1936年提出来的。式中r 被称为粗糙因子，也就是真实面积与表观面积之比；θ’ 为某种液体在粗糙表面上的表观接触角。
粘湿： W a G g(1 lc o) s0
1800
Wa 0
浸湿：
W i G gc l o s0
900
Wi 0
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10
铺展：
S Gg(l co1 s)
其中，θ=0或不存在，S≥0 。
根据上面三式，通过液体在固体表面上的接触角即可 判断一种液体对一种固体的润湿性能。
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11
从上面的讨论可以看出，对同一对液体和固体， 在不同的润湿过程中，其润湿条件是不同的。
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17
如果将式与接触角计算公式比较，可得
r cos ' c os
对于粗糙表面，r总是大于1。
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18
因此： （1）θ＜90°时，θ’＜θ，即在润湿的前提下，表 面粗糙化后θ’变小，更易为液体所润湿。 （2）θ＞90°时，θ’ ＞θ，即在不润湿的前提下， 表面粗糙化后θ’变大，更不易为液体所润湿。
1930年Osterhof和Bartell把润湿现象分成沾湿、浸湿和 铺展三种类型。
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1
沾湿
沾湿：将气液界面与气固界面变为液固界面的过程。 沾湿引起体系自由能的变化为：
Glsg sgl
式中，γls，γgs和γgl分别为单位面积固一液、固一气和液 一气的界面张力。
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2
沾湿的实质是液体在固体表面上的粘附，沾 湿的粘附功Wa为
若Wi≥0，则ΔG≤0，过程可自发进行。 Wi越大，则液体在固体表面上 取代气体的能力愈强。
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4
铺展 置一液滴于一固体表面。恒温恒压下，若此液滴在固体表面上自动展开
形成液膜，则称此过程为铺展润湿。体系自由能的变化为
Ggllsgs
或
S G g s g l ls
S称为铺展系数，S>0是液体在固体表面上自动展开的条件。
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20
一般无机固体，如金属及其氧化物，硫化物卤化物及各种无 机盐的表面能较大，属高能表面。它们与一般液体接触后， 体系自由能有较大的降低，能为这些液体润湿。
gsglcosls
或
cos gs ls
gl
这就是著名的Young方程。式中γsg和γlg是与液体的饱和蒸气成平衡时
的固体和液体的表面张力（或表面自由能）。
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8
g
γlg
θ
L
S
γsl
γsg
液滴在固体表面的接触角
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9
接触角是实验上可测定的一个量。有了接触角的数 值，代入润湿过程的判断条件式，即可得：
实用时，通常以900为界： θ>900，不润湿； θ<900，润湿； θ=00，或不存在时，铺展；
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12
接触角的测定
❖ 躺滴或贴泡法 直接观测处在固体平面上的液滴或贴泡外形，再用量角器测θ
角。液滴或贴泡的外形也可投影或摄像后，在照片上直接测 量θ角。
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13
❖ 斜板法
当固体平板插入液体中，在三相交界处会保持一定的接触角。 改变插入的角度，直到液面与平板接触之处一点也不弯曲， 此时板面与液面之间的夹角为接触角。
ຫໍສະໝຸດ Baidu
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5
V
L
S
图 液体在固体表面的铺展
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6
注意:上述条件均是指在无外力作用下液体自动润湿固体表 面的条件。有了这些热力学条件，即可从理论上判断一个 润湿过程是否能够自发进行。但实际上却远非那么容易， 上面所讨论的判断条件，均需固体的表面自由能和固一液 界面自由能，而这些参数目前尚无合适的测定方法，因而 定量地运用上面的判断条件是有困难的。尽管如此，这些
第六章 液体对固体的润湿作用
润湿的类型
润湿是一种流体从固体表面置换另一种流体的过程。最
常见的润湿现象是一种液体从固体表面置换空气，如水在玻 璃表面置换空气而展开。
在日常生活及工农业生产中，有时需要液固之间润湿 性很好，有时则相反。如纸张，用做滤纸时，要求水对其润 湿性好；包装水泥用的牛皮纸，则因水泥需要防水，要求水 对其不润湿。
大多数有机液体在抛光的金属表面上的接触角小于 90°，因而在粗糙金属表面上的表观接触角更小。纯水 在光滑石蜡表面上接触角在105°~110°之间，但在粗 糙的石蜡表面上，实验发现θ’可高达140°。 注意：Wenzel方程只适用于热力学稳定平衡状态。
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固体表面的润湿性和临界表面张力
❖ 低能表面与高能表面 从润湿方程来看，只有固体表面能足够大才能被液体所润湿， 要使接触角为零，则rgs必须等于或大于rls与rgl之和。rgs虽不 易得到，但可以肯定rgs必须大于rgl才有被该液体润湿的可能。 一般常用液体的表面张力都在100mN.m-1以下，便以此为界 将固体分为两类：一类是高能表面，其表面能高于 100mN.m-1的固体；另一类是低能表面，其表面能低于 100mN.m-1的固体。
从式知γsl越小，则Wa越大，液体越易沾湿固体。若 Wa≥0， 则ΔG≤0，沾湿过程可自发进行。
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浸湿
浸湿是将固体完全浸入到液体中的过程，如将衣服浸泡在水中。 浸湿过程引起的体系自由能的变化为
Glsgs
如果用浸润功Wi来表示，则是
W i Ggsls
可编辑版
14
❖ 光反射法
用强的光源通过狭缝，照射到三相交界处，改变入射光的方向， 当反射光刚好沿着固体表面发出时，可以根据入射光与反射
光的夹角2 计算接触角。
2
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15
非理想固体表面上的接触角 一般固体表面，由于： （l）固体表面本身或由于表面污染（特别是高能表面）， 固体表面在化学组成上往往是不均一的； （2）因原子或离子排列的紧密程度不同，不同晶面具有不 同的表面自由能；即使同一晶面，因表面的扭变或缺陷， 其表面自由能亦可能不同； （3）表面粗糙不平等原因，一般实际表面均不是理想表面， 给接触角的测定带来极大的困难。
判断条件仍为我们解决润湿问题提供了正确的思路。
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接触角和 Young方程
将液滴（L）放在一理想平面（S）上如果有一相是气体，则接触角
是气一液界面通过液体而与固一液界面所交的角。1805年，Young指出，
接触角的问题可当作平面固体上液滴受三个界由张力的作用来处理。当
三个作用力达到平衡时，应有下面关系
本节主要讨论表面粗糙度对接触角的影响。
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16
表面粗糙度的影响
将一液滴置于一粗糙表面，
有
r(gsls)glco's
或
c
os '
r(gs ls) gl
此即Wenze1方程，是Wenzel于1936年提出来的。式中r 被称为粗糙因子，也就是真实面积与表观面积之比；θ’ 为某种液体在粗糙表面上的表观接触角。
粘湿： W a G g(1 lc o) s0
1800
Wa 0
浸湿：
W i G gc l o s0
900
Wi 0
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10
铺展：
S Gg(l co1 s)
其中，θ=0或不存在，S≥0 。
根据上面三式，通过液体在固体表面上的接触角即可 判断一种液体对一种固体的润湿性能。
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11
从上面的讨论可以看出，对同一对液体和固体， 在不同的润湿过程中，其润湿条件是不同的。
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如果将式与接触角计算公式比较，可得
r cos ' c os
对于粗糙表面，r总是大于1。
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18
因此： （1）θ＜90°时，θ’＜θ，即在润湿的前提下，表 面粗糙化后θ’变小，更易为液体所润湿。 （2）θ＞90°时，θ’ ＞θ，即在不润湿的前提下， 表面粗糙化后θ’变大，更不易为液体所润湿。
1930年Osterhof和Bartell把润湿现象分成沾湿、浸湿和 铺展三种类型。
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1
沾湿
沾湿：将气液界面与气固界面变为液固界面的过程。 沾湿引起体系自由能的变化为：
Glsg sgl
式中，γls，γgs和γgl分别为单位面积固一液、固一气和液 一气的界面张力。
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2
沾湿的实质是液体在固体表面上的粘附，沾 湿的粘附功Wa为
若Wi≥0，则ΔG≤0，过程可自发进行。 Wi越大，则液体在固体表面上 取代气体的能力愈强。
可编辑版
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铺展 置一液滴于一固体表面。恒温恒压下，若此液滴在固体表面上自动展开
形成液膜，则称此过程为铺展润湿。体系自由能的变化为
Ggllsgs
或
S G g s g l ls
S称为铺展系数，S>0是液体在固体表面上自动展开的条件。
可编辑版
20
一般无机固体，如金属及其氧化物，硫化物卤化物及各种无 机盐的表面能较大，属高能表面。它们与一般液体接触后， 体系自由能有较大的降低，能为这些液体润湿。
gsglcosls
或
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这就是著名的Young方程。式中γsg和γlg是与液体的饱和蒸气成平衡时
的固体和液体的表面张力（或表面自由能）。
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g
γlg
θ
L
S
γsl
γsg
液滴在固体表面的接触角
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接触角是实验上可测定的一个量。有了接触角的数 值，代入润湿过程的判断条件式，即可得：
实用时，通常以900为界： θ>900，不润湿； θ<900，润湿； θ=00，或不存在时，铺展；
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12
接触角的测定
❖ 躺滴或贴泡法 直接观测处在固体平面上的液滴或贴泡外形，再用量角器测θ
角。液滴或贴泡的外形也可投影或摄像后，在照片上直接测 量θ角。
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13
❖ 斜板法
当固体平板插入液体中，在三相交界处会保持一定的接触角。 改变插入的角度，直到液面与平板接触之处一点也不弯曲， 此时板面与液面之间的夹角为接触角。
ຫໍສະໝຸດ Baidu
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V
L
S
图 液体在固体表面的铺展
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注意:上述条件均是指在无外力作用下液体自动润湿固体表 面的条件。有了这些热力学条件，即可从理论上判断一个 润湿过程是否能够自发进行。但实际上却远非那么容易， 上面所讨论的判断条件，均需固体的表面自由能和固一液 界面自由能，而这些参数目前尚无合适的测定方法，因而 定量地运用上面的判断条件是有困难的。尽管如此，这些
第六章 液体对固体的润湿作用
润湿的类型
润湿是一种流体从固体表面置换另一种流体的过程。最
常见的润湿现象是一种液体从固体表面置换空气，如水在玻 璃表面置换空气而展开。
在日常生活及工农业生产中，有时需要液固之间润湿 性很好，有时则相反。如纸张，用做滤纸时，要求水对其润 湿性好；包装水泥用的牛皮纸，则因水泥需要防水，要求水 对其不润湿。
大多数有机液体在抛光的金属表面上的接触角小于 90°，因而在粗糙金属表面上的表观接触角更小。纯水 在光滑石蜡表面上接触角在105°~110°之间，但在粗 糙的石蜡表面上，实验发现θ’可高达140°。 注意：Wenzel方程只适用于热力学稳定平衡状态。
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固体表面的润湿性和临界表面张力
❖ 低能表面与高能表面 从润湿方程来看，只有固体表面能足够大才能被液体所润湿， 要使接触角为零，则rgs必须等于或大于rls与rgl之和。rgs虽不 易得到，但可以肯定rgs必须大于rgl才有被该液体润湿的可能。 一般常用液体的表面张力都在100mN.m-1以下，便以此为界 将固体分为两类：一类是高能表面，其表面能高于 100mN.m-1的固体；另一类是低能表面，其表面能低于 100mN.m-1的固体。