润湿作用
表面活性剂润湿作用
固体表面上的原子或分子的价键力是未饱和的，与内部原子或分子比较有多余的能量。
所以，固体表面与液体接触时，其表面能往往会减小。
通常，暴露在空气中的固体表面积总是吸附气体的，当它与液体接触时，气体如被推斥而离开表面，则固体与液体直接接触，这种现象称为润湿。
一、润湿过程在清洁的玻璃板上滴一滴水，水在玻璃表面上立即铺展开来；而在石蜡上滴一滴水，水则不能铺展而保持滴状，如图1所示。
从水面与固体面的接触点沿水面引切线，切线与固体面之间的夹角θ称为接触角。
水与玻璃的接触角接近于零，而与石蜡的接触角约为1100。
接触角小的固体易为液体润湿，反之，接触角大的固体则不易被液体润湿。
因此，接触角的大小可作为润湿的直观尺度。
又如，在玻璃板上滴一滴酒精，酒精滴也会在玻璃板上铺展开来，其接触角为零，铺展情形与水的情况没有什么差异。
当固体物质不是玻璃时，其润湿情况有显著不同。
因此，在研究润湿时，接触角是一个重要判据。
为对润湿尺度给以更严格的规定，下面讨论润湿过程。
图1.接触角润湿即固体表面吸附的气体为液体所取代的现象，这就是说发生润湿时，固一气界面消失，形成新的固-液界面。
在这种过程中能量(自由能)必发生变化，自由能变量的大小可作为润湿作用的尺度。
固一气界面消失，新的固-液界面产生有多种方式，所以润湿的类型也相应有多种。
图2为三种类型润湿。
图2(a)为铺展润湿，水、酒精等在玻璃表面上铺展即为这种铺展润湿。
发生这种润湿时能量变化由式一决定：(式一)式中y s——固体的表面张力；Y L——液体的表面张力；Y SL——固体和液体的界面张力；W S——铺展功，亦称做铺展系数。
W S的物理意义从图可以清楚地看出：在固体表面上铺展的液体膜，在逆过程中减少单位面积所需的能量。
经过这种过程后，固体产生lcm2的新表面，同时消失1cm2液体表面和lcm2固-液界面，所以从式一由表面张力和界面张力立即算出W s。
在发生这种润湿的过程中，释放出的能量和W s相等，W s≥0时发生润湿。
表面活性剂功能与应用——润湿作用
第三章表面活性剂功能与应用一一润湿作用一、润湿功能例子：水润湿玻璃，加入表面活性剂润湿容易；水滴在石蜡上，石蜡几乎不被润湿，加入少量表面活性剂石蜡就容易被润湿了；较厚的毛毡或棉絮放入水中，很难渗透，加入一些表面活性剂就容易浸透了。
表面活性剂具有渗透作用或润湿作用所谓润湿是指一种流体被另一种流体从固体表面或固液界面所取代的过程。
润湿过程往往涉及三相，其中至少两相为流体。
1. 润湿过程润湿作用是一个过程。
润湿过程主要分为三类：沾湿、浸湿和铺展。
产生的条件不同。
其能否进行和进行的程度可根据此过程热力学函数变化判断。
在恒温恒压条件下可方便使用润湿过程体系自由能变化表征。
（1）沾湿主要指液-气界面和固-气界面上的气体被液体取代的过程，在此过程中消失的固-气界面的大小与其后形成的固-液界面的大小是相等的。
如喷洒农药，农药附着于植物的枝叶上。
沾湿附着发生条件：△ G= Y SL- Y SG丫LG V 0 W A= Y SG- Y SL+ Y LG> 0 （沾湿）式中：Y SG Y SL和Y LG分别为气-固、液-固和气-液界面的表面张力（2）浸湿浸湿是指固体浸入液体的过程，原有的固气界面空气被固液取代。
如洗衣时衣物泡在水中；织物染色前先用水浸泡过程浸湿发生条件：△ G = Y SL- Y SG< 0W i = Y SG- Y SL》0 （W:浸湿功）（3）铺展液体取代固体表面上的气体，固-气界面被固-液界面取代的同时液体表面能够扩展的现象。
铺展发生条件为：△ G= Y SL+Y LG-Y SG< 0S= Y S（- Y SL- Y LG》0 （S：铺展功）一般，若液体能够在固体表面铺展，则沾湿和浸湿现象必然能够发生。
从润湿方程可以看出：固体自由能Y SG越大，液体表面张力Y LG越低，对润湿越有利。
2. 接触角和润湿方程（杨氏方程）接触角：固、液、气三相交界处自固-液界面经过液体内部到气液界面处的夹角。
什么是润湿作用
什么是润湿作用
润湿作用是指液体在与固体接触时，能够在固体表面上形成一层平均和连续的薄液体膜，使固体表面被液体湿润的现象。
润湿作用可以分为沾湿、浸湿和铺展三种类型。
润湿作用是一种流体从固体表面置换另一种流体的过程，在日常生活和生产实际中，如洗涤、印染、矿物浮选等，是最常见的现象之一。
因此，研究润湿现象有极强的现实意义。
此外，润湿作用在表面涂料、化妆品、医疗器械、涂层材料等领域也有广泛应用。
以上信息仅供参考，如有需要，建议查阅相关文献或咨询专业人士。
表面活性剂的润湿
因此，在溶液浓度较稀时，-SO4—基在链端的 比在链中间的化合物其表血张力较低；而在浓 度较高时，-SO4—基在链中间的化合物(15-8) 降低表面张力的有效值则较强，显示出较好的 润湿性能。
（2）非离子聚氧乙烯类表面活性剂的EO数：
R一般以C7-C12的润湿性最好，C12以上润湿性 下降。以C8及C9为例，EO数变化时，润湿性 不断变化、EO＝10~12时，润湿性最好；EO ＞12时，润湿性急剧下降；EO数较低时，润 湿性也差。
非离子型表面活性剂中主要是壬基苯酚和辛基 苯酚的环氧乙烯加成物和低碳脂肪醇和低聚氧 乙烯加成物如渗透剂JFC。
6.2强碱性溶液的润湿剂 强碱性溶液的润湿剂
丝光与煮练要求碱液能均匀而且很快地润湿织物， 有些润湿剂是不溶解的。
煮练
棉纤维生长时，有天然杂质（果胶质、蜡状物质、 含氮物质等）一起伴生。棉织物经退浆后，大部分 浆料及部分天然杂质已被去除，但还有少量的浆料 以及大部分天然杂质还残留在织物上。这些杂质的 存在，使绵织布的布面较黄，渗透性差。同时，由 于有棉籽壳的存在，大大影响了棉布的外观质量。 故需要将织物在高温的浓碱液中进行较长时间的煮 练，以去除残留杂质。煮练是利用烧碱和其他煮练 助剂与果胶质、蜡状物质、含氮物质、棉籽壳发生 化学降解反应或乳化作用、膨化作用等，经水洗后 使杂质从织物上退除。
6.润湿剂的选用 润湿剂的选用
在印染加工过程中，要迅速得到润湿效果，润 湿剂必须能迅速的吸附到界面上去。实际上， 具有最大表(界)面活性的物质，并不都是最好 的润湿剂。 而能促使最快吸附到界面而润湿的表面活性剂 才是最好的润湿剂。
6.1弱酸和弱碱性溶液的润湿剂 弱酸和弱碱性溶液的润湿剂
润试剂在弱酸性和弱碱性以及中性溶液的应用 最为普遍，在染整工业中如退浆、漂白、染色、 树脂整理、织布行业的上浆、上油等。 阴离子表面活性剂中可作为润湿剂和渗透剂用 的如渗透剂T(琥珀酸双异辛酯磺酸钠)、十二 烷基硫酸酯钠盐、十二烷基苯磺酸钠、丁基萘 磺酸钠(Nakal BX)、太古油(磺化油AH油酸丁 酯硫酸酯钠盐)等，其中以渗透剂T为最佳。
第七章液体对固体的润湿作用
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：
G ls gs gl
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。
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
基体—污垢 + 洗涤剂 = 基体—洗涤剂 + 污垢—洗涤剂
液体污垢的去除
液体污垢的去除是通过卷缩机理进行的。液体污垢原来是以一 铺开的油膜存在于表面的，在洗涤剂优先润湿作用下，逐渐 卷缩成为油珠，最后冲洗以至离开表面。
rso= rsw + rwocosθ rso、 rsw 、rwo分别为油-水、固体-水、固体-油的表面张力。
与前相反。
润湿剂
能促使液体润湿固体或加速液体润湿固体的表面活性剂称为 润湿剂。
润湿剂能改善润湿作用，其原因是它能降低液体的表面张力 和固液界面张力，据润湿方程可以定性判断接触角会变小， 从而改善润湿性能。
能作为润湿剂的大多是阴离子型和非离子型表面活性剂。一 般不使用阳离子表面活性剂，因为大多数固体在溶液中常常 带负电荷，表面活性剂阳离子与表面强烈的电性作用，往往 会使得表面活性剂尾端向着水而变成疏水表面。
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。
如在水溶液中加入表面活性剂，由于表面活性剂易于在固体
润湿作用
14
19
α－Al2O3 43 26 19
43 12
18
21
碳氟比合物＜碳氢化合物＜含其他杂原子的 有机物＜金属等无机物。
6.3.4影响润湿作用的因素
1.温度 ➢温度升高时，短链表面活性剂的润湿性能
不如长链的好。 ➢低温时，长链的不如短链的好。 ➢对于聚环氧乙烷类非离子表面活性剂，湿
度接近浊点时，润湿性能最佳。
S SV SL LV A LV
S>0,A>
LV，即固液粘附张力大于液体表面张力即可发生铺展过程。
2.液体在液体表面上的铺展
SO /W W O WO
当SO/W>0时，即恒温恒压下体系表面自由焓降低，
则该种油能在水面上铺展。
• 若SO/W<0，ΔG>0，则表示油不能在水面上铺展，
图6-8 液体在固体上的铺展
当铺展面积为单位值时，这个过程的能量变化为：
G SV SL LV S
式中，S称为铺展系数。
S＞0时，液体可以在固体表面自动展开
S SV SL LV SV SL LV LV SW SL LV 2 LV Wa Wc
S>0，即固液粘附功大于液体内部内聚功时，铺展润湿 是一个自发过程，液体可以自行铺展于固体表面。
图6-4 沾湿过程
体系的自由能：
G SV LV SL Wa
式中，Wa为粘附功。
粘附功代表液体与固体分子间相互作用力大小的表 征。
两个液柱的接触过程中，体系的自由能降低值为：
G LV LV 0 2 LV WC
式中，WC-内聚功。
WC代表液体自身结合的牢固程度，是液体分子间相
2)硬固体的部分浸湿
实质是体系的固-气界面被固-液界面部分取代的过程。
润湿作用与接触角
40润湿作用与接触角润湿是固体表面上的一种流体被另一种流体取代的现象，通常是指固体表面上气体被液体所取代。
这种现象在自然界和生产中十分普遍，诸如，土壤和植物对水的亲和、三次采油、织物的洗涤和印染、机械的润滑等等。
在界面化学的研究和应用中，这是十分重要的一个方面。
本专题将讨论润湿作用的最基本概念及理论。
1. 润湿的分类按照固体表面上气体被液体取代的不同特征，润湿作用可分为浸湿、沾湿和铺展三种类型。
它们的特征表述如下：(1). 浸湿(immersional weitting)这种润湿过程可用图40-1示意图40-1 浸湿润湿过程就像衣服浸在水中，那是最简单的浸湿，固体表面上的气体完全被液体所取代，而气液界面没有发生变化。
故该过程的单位表面Gibbs 自由能变化为SG SL /σσ−=Δs A G (40-1)式中σ的下标SL 和SG 分别代表固液和固气界面。
若过程是在没有外力的干预下自发地进行，则根据热力学第二定律，G Δ应小于零。
现令SL SG i σσ−=W ，称其为浸湿功，用来表示液体从单位固体表面上取代气体的能力，那末，液体能够浸湿固体的条件便是0SL SG i >−=σσW (40-2)(2). 沾湿(adhesional weitting)这种润湿过程可用图40-2示意，图40-2 沾湿润湿过程就像粘稠的油滴落在地面上。
它的特征是液体在取代固体表面上气体的同时，也减少了相应的气液界面。
故该过程的单位表面Gibbs 自由能变化为LG SG SL /σσσ−−=Δs A G (40-3)若令SL SG LG a σσσ−+=W ，并称其为粘附功，则表明a W 愈大，SG LG σσ+与SL σ相差愈大，要想从单位固体表面拉开被黏附的液体就愈不容易，这就是说，液体与固体结合愈牢固。
故a W 反映了固液两相在界面上结合的能力。
倘若沾湿过程是在没有任何外力干预下自发地进行，则必0<ΔG ，因此，液体能够沾湿固体表面的条件是0SL SG LG a >−+=σσσW (40-4)(3) 铺展(spreading weitting)这种润湿过程可由图40-3示意，图40-3 铺展润湿过程就像水滴洒在水泥地上，那是最常见的润湿过程。
润湿作用
润湿作用关键词：表面张力比表面能第一节润湿作用润湿是有条件的，润湿能否进行，取决于界面性质及界面能的变化，其润湿的程度可以用接触角的大小来判断。
一、表面张力与表面过剩自由能表面张力与表面过剩自由能是描述物体表面状态的物理量。
液体表面或固体表面的分子与其内部分子的受力情形是不同的，因而所具有的能量也是不同的。
以液体为例，如图1－1所示，处在液相内部的分子，四周被同类分子所包围，受周围分子的引力是对称的，因而相互抵消，合力为零；处在液体表面的分子则不然，因为液相的分子密度远大于气相的分子引力，致使合力不再为零，而是具有一定的量值且指向液相的内侧。
由于这个拉力的存在，使得液体表面的分子，相对于液体内部分子处于较高能量态势，随时有向液体内部迁移的可能，处于一种不稳定的状态。
液体表面分子受到的拉力形成了液体的表面张力，相对于液体内部所多余的能量，就是液体的表面过剩自由能。
由于表面张力或表面过剩自由能的存在，在没有外力作用时，液体都具有自动收缩其表面成为球形的趋势，这是因为在体积一定的几何形体中球体的表面积最小。
图1-1液体表面分子与内部分子能量的不同图1-2表面张力实验示意图图1－2是表面张力实验的示意图。
Ⅱ形框架的AB边是可以上下滑动的，长度为ι。
将框架直立于液体中，AB边也被浸没。
缓慢地提起AB边，便在框架内形成一个逐渐扩展的液体薄膜。
随着液膜的扩展，提起长度为ι的AB边所需要的力也要逐渐增加。
设：当AB边提升到高出液面h的位置时，为保持液膜平衡而不收缩，需要施加的力为F，则此力F应与液膜的两个表面所提供的力相平衡。
ι越长，F值越大。
因此，在A B边上，单位长度液面上受的力为：F=γ·2ι（1-1）比例系数γ定义为表面张力系数，表示垂直通过液体表面任一单位长度、与液面相切地收缩表面的力，常简称为表面张力。
表面张力的量纲是〔力/长度〕，常用的单位是N/m（牛顿/米）。
某一种液体，在一定的温度和压力下，有一定的γ值。
第四章 固-液界面-北航-表面与界面化学教程
A 2 r r , A( s l g l g s ) 2 r r ( s l g l g s )
Vg h
2
Vg h
2
V 0, Ahm Ah 2 r rhm r 2 h 2 r r
粗糙因子（粗糙度）：是固体的 真实表面积与相同体积固体假想 的平滑表面积之比。显然，r大 于等于1. r越大，表面越粗糙。
Wenzel方程的重要性是说明了表面粗糙化对接触角的 影响： • < 90°, ’< ,表面粗糙化使接触角变小，润湿性 更好。 • > 90°, ’> , 表面粗糙化会使润湿的体系更不 润湿。 • 揭示了均相粗糙表面的表观接触角与本征接触角之间 的关系 • 注意：Wenzel方程只适用于热力学稳定的平衡状态， 但由于表面不均匀，液体在表面上展开时需要克服一 系列由于起伏不平而造成的势垒。当液滴振动能小于 这种势垒时，液滴不能达到Wenzel方程所要求的平 衡状态而可能处于某种亚稳平衡状态。
180 ,Wa 0
90 , A 0
沾湿自发进行 浸湿自发进行 铺展自发进行
0 ,S 0
实用时，以90°为界：
若接触角大于90°，说明液体不能润湿固体， 如汞在玻璃表面； 若接触角小于90°，液体能润湿固体，如水 在洁净的玻璃表面。 若接触角等于0°或不存在平衡接触角时，说 明液体能铺展 渗透过程？？？
当固体表面由不同种类的化学物质组成时，如污染或多晶？？ （2）Cassie模型 Cassie和Baxter进一步拓展了Wenzel的处理，提出 可以将粗糙不均匀的固体表面设想为一个复合表面，即认 为液滴在粗糙表面上的接触是一种复合接触。 设固体表面有物质1和2组成，这两种不同成分的表面是 以极小块的形式均匀分布在表面上的（每一小块的面积远 小于液滴的尺寸）。它们的本征接触角分别用1和 2表示， 在单位面积上所占的表面积分数分别为f1和f2(f1+f2=1)。 又设当液滴在表面展开时两种表面所占的分数不变。这时 可得到：
第6章润湿作用
ALVcos
0< <900时A>0
第6章润湿作用
1.硬固体表面的浸湿
1)硬固体表面的完全浸湿 实质是固-气界面完全被固-液界面所代替，而液体表面 在浸湿过程中无变化。
第6章润湿作用
2)硬固体的部分浸湿
同一体系，W a >Wi>S。 第6章润湿作用
6.3固体表面的润湿性
无机固体如金属、金属氧化物、硫化物、无机盐 等，常被称为高能表面。200-5000mJ.m-2 固体有机物及高聚物的表面能与一般液体不相上 下，被称为低能表面。<100mJ.m-2
第6章润湿作用
6.3.1低能表面的润湿性质
图6-9 Zisma第n6图章润与湿作 用c
第6章润湿作用
润湿临界表面张力数据可以看出以下一些规律
1)高分子固体的润湿性质与其分子的元素组成有关。 在其引入氟原子时会使变小，而引入其他杂质原子 时升高，
杂原子使其润湿能力增加的顺序如下：
F＜H＜Cl＜Br＜I＜O＜N。
同一原子取代越多则效果愈明显。
(2)有机物质中含有极性基团时升高。
(3)附有表面活性物质的单分子层的玻璃或金属显示
S>0，即固液粘附功大于液体内部内聚功时，铺展润湿 是一个自发过程，液体可以自行铺展于固体表面。
SSV S LLV A LV
S>0,A>
LV，即固液粘附张力大于液体表面张力即可发生铺展过程。
第6章润湿作用
2.液体在液体表面上的铺展
SO /WWOWO
当SO/W>0时，即恒温恒压下体系表面自由焓降低，
沾湿浸湿铺展三种润湿作用及接触角相关问题
一、润湿作用凝聚态物体表面一种流体被另一种流体取代的过程称为润湿。
润湿过程分为三类，即在日常生活中经常遇到的沾湿、浸湿和铺展。
1、沾湿液体取代固体表面气体，液体不能完全展开的过程称为沾湿。
Asl sg A W G =-+=∆-γγγlg （黏附功）当W A>0时，沾湿过程才是自发的。
固－液界面取代液－气界面和气－固界面的过程2、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。
SG sl gs s =--=∆-γγγlg （铺展系数）铺展系数S>0，过程自发进行。
3、浸湿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Isl sg I W G =-=∆-γγ（浸润功）WI>0，过程自发进行。
二、接触角与Young 方程将一液体滴到一平滑均匀的固体表面上，若不铺展，将形成一平衡液滴，其形状由固液气三相交界面处所作气液界面之切线经液滴至固液界面所成之夹角决定，此角称为该种液体在所研究固体表面上之接触角，或称润湿角。
接触角常以θ表示。
γθ< 90︒θ> 90︒•接触角θ与各个界面张力θγγγcos lg =-sl sg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 1.物质的本性对于指定的固体，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.接触角滞后现象若液体与固面无相对运动时，所形成的两个接触角是相等的即平衡接触角θe ；若液体与固体发生相对运动时，则会形成两个不同的接触角。
较大的θa 称为前进接触角，较小的θr 称为后退接触角。
这种θa ＞θr 的现象称为接触角滞后。
表面张力与润湿作用
04
表面张力与润湿作用的实验 研究
实验目的
探究表面张力对润湿作用的影响
验证润湿作用的理论模型
通过实验观察不同表面张力下的润湿现象 ，分析表面张力与润湿作用的关系。
利用实验数据验证润湿作用的理论模型， 如Young-Laplace方程、Wenzel模型等。
探索表面活性剂对润湿作用的影 响
通过实验研究表面活性剂对表面张力和润 湿作用的影响，了解其作用机制。
在印刷行业中，润湿作用用于控制墨水的铺展和渗透，从而影响印刷质 量和效果。通过调整表面张力，可以优化印刷品的清晰度和色彩。
在金属加工领域，表面张力对金属的熔融、凝固和成型过程具有重要影 响。通过合理控制表面张力，可以提高金属制品的表面质量和机械性能。
在环境科学中的应用
在水处理中，表面张力与润湿作用可用于改善 水体的表面张力，从而促进水滴的形成和分离， 提高水处理的效率和效果。
润湿的类型
01
02
03
完全润湿
当液体完全覆盖固体表面， 形成一层液膜，称为完全 润湿。例如，水滴在玻璃 表面。
部分润湿
当液体仅部分覆盖固体表 面，形成不连续的液滴， 称为部分润湿。例如，水 滴在油性笔迹上。
不润湿
当液体无法在固体表面展 开，形成球形液滴，称为 不润湿。例如，水滴在荷 叶表面。
润湿的应用
工业涂层
通过控制涂层的润湿性，可以提高涂层的附着 力和防腐蚀性能。
防雾剂
通过改变镜面表面的润湿性，可以防止雾气生 成，保持清晰视野。
油墨印刷
油墨的润湿性能决定了印刷品的清晰度和附着 性。
03
表面张力与润湿作用的关系
表面张力对润湿的影响
01
表面张力是液体表面抵 抗收缩的力，表面张力 越大，液体越不容易润
物理化学 润湿
27/32
举例：人工降雨 举例： 增大胚芽的起始半径：灰尘，AgCl颗粒 增大胚芽的起始半径：灰尘，AgCl颗粒
我国首架人工降雨飞机， 我国首架人工降雨飞机，2003/07
28/32
过热液体 （superheated liquid） ） 当温度高于沸点时，液体不沸腾。 当温度高于沸点时，液体不沸腾。
p(l )
* pr
ps = p ( l ) − p ( g )
p
*
p (l )
( V m l ) dp ( l ) ∫ p*
* pr
( V m g ) dp ( g ) = ∫
p*
设蒸气服从理想气体方程， 设蒸气服从理想气体方程 ， 液体的摩尔体积不随 压力变化 *
pr (l ) (l ) * RT ln * = Vm ( p − p ) p
17/32
考察压力的变化对液体的蒸气压带来的影响： 考察压力的变化对液体的蒸气压带来的影响： 气液平衡时， 气液平衡时， 平面液体） （平面液体） 弯曲液体） （弯曲液体） 请注意压力的不同！ 请注意压力的不同！
µ
(g)
(T , p ) = µ (T , p )
* (l ) *
µ (T , p ) = µ (T , p )
(l ) (g)
20/32
* pr ( RT ln * = Vml ) ( p (l ) − p * ) p
p
(l )
= p
(g)
p 2σ 2σM (l ) * * ( l ) 2σ RT ln = Vm ( pr + − p ) ≈ Vm = p r r ρr 2σ * * 通常 pr − p << * r 2σM p
表面张力与润湿作用
3、扩散理论 扩散理论认为，粘接是通过胶粘剂与 被粘物界面上分子扩散产生的。当胶粘剂 和被粘物都是具有能够运动的长链大分子 聚合物时，扩散理论基本是适用的。热塑 性塑料的溶剂粘接和热焊接可以认为是分 子扩散的结果。
4、静电理论 由于在胶粘剂与被粘物界面上形成双电 层而产生了静电引力，即相互分离的阻力。 当胶粘剂从被粘物上剥离时有明显的电荷 存在，则是对该理论有力的证实。
二.低能表面与高能表面
已知有机固体（如石蜡，聚乙烯等）的表面能 都小于100mJ· m-2, 无机固体（如NaCl,CaO,Ag,云 母等）表面能都大于100mJ· m-2。认为界定，前者 为低表面能固体，其表面为低能表面；后者为高表 面能固体，其表面为高能表面。 金属原子之间的作用力是由离域电子维系的， 作用力大小几乎等同于化学键。而有机物分子之间 的作用力为范德华力，比化学键力要小得多。表面 原子所处的力场不均匀性越大，表面能越高。
2.温度的影响 温度升高，分子键引力减弱，故表面 张力多随温度升高而减小。同时，温度升 高液体的饱和蒸气压增大，气相中分子密 度增加，也是气相分子对液体表面分子的 引力增大，导致液体表面张力减小。当温 度达到临界温度Tc时，液相与气相界线消 失，表面张力降为零。
3.压力的影响 随压力增大，表面张力减小。低压 下影响不明显，高压下可能引起比较 明显的变化。
2.1表面粗糙性 表面粗糙度：真实的粗糙的固体表面积与相 同体积固体完全平滑表面积之比。用r来表示， r≥1，r越大，表面越粗糙。 某液体在粗糙表面上的表观接触角θ′与在同 一固体平滑面上接触角θ有下述关系：
r ( lg cos ) lg cos ' r cos cos '
Wenzel方程
多种研究结果表明，两相的接触面（通 常约为几个分子的厚度）处，其结构、性 质与两侧体相均不同。这种接触面就是界 面。
润湿作用及应用
AS
(2)接触角与润湿方程
液体在固体表面上形成的液滴，它可以是扁平状，也 可以是圆球状，这主要是由各种界面张力的大小来决定。 如图，一液滴在固体表面上不完全展开时，有三种界 面张力，同时作用于O点处的液体分子上：
l,g
s,g
O
L
S
l ,s
液滴两种典型的状态
l-g
M
M
l-g
A l N s-l
三种界面张力
(l/g) (s/g)
O
(s/g)–力图将液体拉往左
方，使液体铺展；
(s/l)
(s/l) –力图将液体分子往
右拉，使液滴收缩
(l/g)
(s/g)
O
(l/g)–力图将液体分子拉向
(s/lls )
r
液面切线方向，使液滴收缩。
杨氏方程
(l/g) (s/g)
O
(l/g)
1. 增加润湿作用
2. 降低润湿作用
3. 矿物浮选
1. 增加润湿作用
农药喷洒.由于大多农药水溶性差,对植物的茎叶润 湿不好,一是滚落浪费,二是不能展开而杀虫效果差,此 时就要用到表面活性剂surface active agent--SAA,加入 表面活性剂SAA,提高润湿程度,即可大大提高药效.
2. 降低润湿作用
θ
θ
(s/l)
(s/g) O (s/lls )
r
达到平衡时 也可写作
( g / s ) (l / s ) ( g / l ) cos
( g / s) (l / s) cos (g / l)
杨氏方程（Young T. 于1805年)
杨氏方程
杨氏方程
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润湿作用润湿是有条件的，润湿能否进行，取决于界面性质及界面能的变化，其润湿的程度可以用接触角的大小来判断。
一、表面张力与表面过剩自由能表面张力与表面过剩自由能是描述物体表面状态的物理量。
液体表面或固体表面的分子与其内部分子的受力情形是不同的，因而所具有的能量也是不同的。
以液体为例，如图1－1所示，处在液相内部的分子，四周被同类分子所包围，受周围分子的引力是对称的，因而相互抵消，合力为零；处在液体表面的分子则不然，因为液相的分子密度远大于气相的分子引力，致使合力不再为零，而是具有一定的量值且指向液相的内侧。
由于这个拉力的存在，使得液体表面的分子，相对于液体内部分子处于较高能量态势，随时有向液体内部迁移的可能，处于一种不稳定的状态。
液体表面分子受到的拉力形成了液体的表面张力，相对于液体内部所多余的能量，就是液体的表面过剩自由能。
由于表面张力或表面过剩自由能的存在，在没有外力作用时，液体都具有自动收缩其表面成为球形的趋势，这是因为在体积一定的几何形体中球体的表面积最小。
图1-1液体表面分子与内部分子能量的不同图1-2表面张力实验示意图图1－2是表面张力实验的示意图。
Ⅱ形框架的AB边是可以上下滑动的，长度为ι。
将框架直立于液体中，AB边也被浸没。
缓慢地提起AB边，便在框架内形成一个逐渐扩展的液体薄膜。
随着液膜的扩展，提起长度为ι的AB边所需要的力也要逐渐增加。
设：当AB 边提升到高出液面h的位置时，为保持液膜平衡而不收缩，需要施加的力为F，则此力F应与液膜的两个表面所提供的力相平衡。
ι越长，F值越大。
因此，在AB边上，单位长度液面上受的力为：F=γ·2ι（1-1）比例系数γ定义为表面张力系数，表示垂直通过液体表面任一单位长度、与液面相切地收缩表面的力，常简称为表面张力。
表面张力的量纲是〔力/长度〕，常用的单位是N/m（牛顿/米）。
某一种液体，在一定的温度和压力下，有一定的γ值。
因为温度升高时，液体分子间的引力减少，共存的气相蒸气密度加大，所以表面张力总是随温度的升高而降低。
故测定表面张力时，必须固定温度，否则会造成较大的测量误差。
液体的表面张力是表面紧缩力，它使液体表面积有自动缩小的趋势。
若要扩展液体的表面，即要把液相内的一部分分子移到表面上来，则必须克服其向液相内侧的拉力而作功，因此，液体自动收缩表面的趋势，也可以从能量的角度来解释。
设：当表面扩展的微面积为dA时，表面张力所作的元功为－δW，因为表面分子受到的指向液相内侧的拉力，要扩展表面，液相内部的一部分分子，就要向表面移动，所以作负功。
在表面扩展过程中，元功－δW 与微面积增量dW成正比，令γ为比例系数，则有：－δW=γ·dA（1-2）又因为在怛温恒压条件下，在表面扩展的过程中，体系对外界所做的功即为δW，而δW 应等于在此过程中体系自由能的减少一DgT.P,故（1－2）式可以写作dGT.P=γ·dA亦即γ=(G/A)T.P.（1-3）从（1－3）式中看出，γ的物理意义是：在恒温恒压条件下，增加单位表面积表面所引起的体系自由能的增量，也就是单位表面上的分子比相同数量的内部分子过剩的自由能。
因此，叫比表面过剩自由能，常简称为“比表面能”，单位是J/m2（焦尔/平方米）。
因为1J＝1N·m，所以，一种物质的比表面能与表面张力数值上完全一样，量纲也一样，但物理意义有所不同，所用的单位也不同。
测定表面张力的方法很多，一般在实验室中，用滴体积法或挂环法既简便又准确。
滴体积法不仅可以测定润湿液的表面张力，也可以测定润湿液和油墨连结料的界面张力。
用挂环法测定液体表面张力时，为获得准确的表面张力数据，应该选用被液体完全润湿的金属环进行测试。
以上两种实验方法，请参看有关表面张力的书籍或资料，这里不再叙述。
表面张力或表面过剩自由能，是一强度因素，其值与物质的种类、共存另一相的性质以及温度、压力等因素有关。
对于纯液体来说，共存的另一相一般指空气或饱和蒸气。
一些纯液体在常温20℃时的表面张力值如表1－1所列。
表1－1 几种液体的表面张力γ（20℃）液体名表面张力（10－2N/m）液体名称表面张力（10－2N/m）称水7．275 苯2．888甘油6．340 甲苯2．845液体石3．310 醋酸2．763 蜡油酸2．250 正已烷1．843表1－2表面张力γ和温度的关系温度（℃）表面张力（10－2N/m）10 7．4220 7．2730 7．1250 6．7980 6．26100 5．89当温度升高时，液体分子间引力减弱，而共存蒸气的密度加大，所以表面分子的过剩自由能减少。
因此表面张力总是随温度的升高而降低的。
表1－2表示水的表面张力和温度之间的关系。
在一定的温度下，纯水中加入少量的表面活性剂，溶液的表面张力急剧下降。
水的表面张力随表面活性剂的种类及在溶液中的浓度而有不同程度的降低（表面活性剂对水溶液表面张力的降低作用，将在第五章详细讲述）。
以上讨论的有关表面张力的问题是以液体表面为例的，但也可以推广到固体，固体表面的分子和液体表面的分子一样，比内部分子有过剩的自由能。
对于固体的表面张力或比表面能，目前虽然还不能像对液体那样，用实验方法直接测定。
但根据间接推算，固体的表面张力或比表面能一般比液体大的多。
有的固体比表面能具有很高的数值。
需要注意的是，固－液相接触或液－液相接触的比表面能γSL或γLL的物理意义是：单位面积相界面上的两相物质的分子，各自比相同数量的本相内部分子过剩自由能和加和值。
当γSL或γLL取N/m 为单位时，通常称为界（表）面张力（γ）。
二、水和油的化学结构与表面张力水和油对固体的润湿程度，与各自的表面张力有关，水和油的表面张力又都与各自的化学结构有关。
1．水的化学结构与表面张力。
水分子由氢元素和氧元素组成，分子的偶极矩等于6.17×10－30C·m（库仑·米），分子的结构不对称，是极性很强的分子。
按照"结构相似互溶原理"，极性分子对极性分子有强的亲合力，非极性分子对非极性分子有强的亲合力。
因此，当水分子和具有极性结构的物质相接触时，由于亲合力的作用，水会附着在不溶于水的极性物质表面，或者把能溶于水的极性物质溶解。
故极性物质叫亲水物质。
物质分子间的作用力主要是范德华力和氢键。
范德华力一般包括取向力、诱导力和色散力。
极性分子与极性分子之间，存在有取向力、诱导力和色散力；非极性分子与非极性分子之间，只存在色散力。
氢原子和其它电负性较强的原子（如F、O、N）化合而形成的分子之间，存在氢键。
水分子是由氢原子和电负性较大的氧原子化合而成的极性很强的分子。
因此，水分子之间的作用力，既有取向力、诱导力和色散力，也有氢键。
故表面张力值较大，纯水的表面张力在20℃时，约为7.2×10－2N/m。
2．油的化学结构与表面张力。
油是有机液体的统称。
分子结构较为简单的有机液体四氯化碳（CCL4），是具有对称结构的甲烷（CH4）的衍生物。
在四氯化碳分子中，4个C－C1键都是极性共价键，但因分子的结构是正四方体，碳原子位于正四方体中心，4个氯原子分别位于四面体4个顶端，分子的偶极矩等于零，是非极性分子。
各种饱和烃、苯等有机液体的结构也是对称的，偶极矩等于零，为非极性分子。
水或极性物质与油相接触时，因化学结构不相似，不产生亲合力，故非极性物质为疏水物质。
如果在非极性分子中，引入羟基（－OH）、氨基（－NH2）、硝基（－NNO2）、羧基（－COOH）等有极性的原子团时，非极性分子便会带有一定的极性，疏水物质也就有了一定的亲水性，但极性和亲水性的大小，取决于分子中非极性部分碳链的长短，碳链愈长，分子的非极性和疏水性愈大。
亚麻油是一种常用的油墨连结料，属于干性植物油，可以看成是甘油和亚麻油酸、亚油酸、油酸发生酯化反应生成的甘油三酸酯：亚麻油酸、亚油酸、油酸的分子中，虽然有极性原子团羧基（－COOH），但因碳链很长（均含有18个碳原子），亲水的极性基团几乎不起作用，所以，亚麻油酸等是非级性的疏水物质，故油墨中的连结料干性植物油疏水性很大。
油分子和油分子之间只有色散力，故油的表面张力比水的表面张力小，油的表面张力如表1－3所列。
油墨的粘度较高，尤其是胶印油墨，所以，用实验的方法测定油墨的表面张力存在一定的困难。
要想测得可靠而又可重复的实验数据，必须将油墨稀释后测定其表面张力，然后推断到100％纯油墨时的表面张力值。
为保证推断数据的可靠性，选择何种稀释剂稀释油墨，就成为测定油墨表面张力的关键。
目前，在测定油墨的表面张力时，一般选择两种稀释剂分别稀释油墨，一种稀释剂的表面张力高于纯油墨，另一种则低于纯油墨，分别测定油墨在两种稀释剂不同浓度下的表面张力，这样测定的数据可靠性最大。
图1－3表示两种热固性胶印油墨，分别用Magil470油和1－溴化萘稀释后的实验结果。
从实验曲线上推断的表面张力γ值分别为3.35×10-2N/m和3.1×10-2N/m。
表1－3油的表面张力γ（20℃）油表面张力（10－2N/m）庚烷1．97辛烷2．18苯2．89甲苯2．84油酸2．25蓖麻油3．90图1-3稀释后的油墨表面张力大多数油墨的表面张力，由于受到颜料和添加剂分子中极性基的影响，比纯油的表面张力大，一般在3.0×10-2N/m～3.6×10-2N/m。
三、液体在固体表面润湿的条件液体在固体表面的润湿分为沾湿、浸湿、铺展三类。
1．沾湿。
沾湿是指液体与固体接触，将"气－液"界面与"气－固"界面转变为“液－固”界面的过程，如图1－4所示。
图1-4沾湿过程在沾湿过程中，新形成的“液－固”界面增加了自由能γSL，而被取代的液体表面（即“气－液”界面）分别减少了自由能γLG和γSG，所以体系自由能的变化是ΔG=γSL-γLG-γSG（1-4a）体系对外界所做的功是Wa=-ΔG=γSG+γLG-γSL（1-4b）Wa叫粘附功，是液体和固体粘附时，体系对外界所作的最大功。
根据热力学第二定律，在恒温恒压条件下，当体系能量的变化ΔGT.P≤0时，这样的过程才能自发地进行。
因此，沾湿过程自发进行的条件是ΔG=γSL-γLG-γSG≤0（1-5a）或Wa=γSG+γLG-γSL≥0（1-5b）而且，体系自由能减少的愈多，沾湿过程愈容易进行，粘附功愈大，“液－固”界面结合得愈牢。
如果将图1－4所示过程的固体，换成具有相同面积的液柱，则因“液－固”界面消失，γSL=0，又因为γSG为γLG所取代，故（1-5b）式变为Wa=Wc=γLG+γLG-0=2γLG（1-6）Wc的大小表征了液体分子间的相互作用力，叫作内聚功。