_固液界面
固液界面
W黏附 S G L g S L
(4-9)
与Young方程结合，得： W黏附 LG (1 cos ) (4-10)
第四节 Young-Dupre公式
若θ=00，则：
W黏附 2 LG
(4-7)
黏附功等于液体的内聚功，固体被液体完全润湿。
若 1800 , 则
第一节 Young方程和接触角
s
P
(l/g)
N
M
(s/g) O
O
(s/l)
接触角（润湿角）
由接触点O沿液—气界面作的切线OP与固— 液界面ON间的夹角 称为接触角或叫润湿角。
当液体对固体润湿达平衡时，则在O点处 必有： (s / g) (s / l) (l / g) cos (4-1) 此式称为杨氏(Young)方程。
(4-2)
（3）不润湿： sg sl时， 0,90 180。 cos 固体不能为液体所润湿；
=0，完全润湿并铺展,薄膜
0< < 90—润湿；棱镜状 一般
90 < < 180—不润湿；平底球状，半球状
=180，完全不润湿，球状
润湿作用应用
1.金属基复合材料 2.超疏水界面材料 3.日常生活中的应用
表面现象
水滴 蜡质层
微细突起
润湿作用应用
莲 花 效 应 主 要 是 指 莲 叶 表 面 具 有 超 疏 水 (superhydrophobicity)以及自洁(self-cleaning)的特性。
水黾腿部特殊的微纳米结构。这种结构使水 黾腿部周围被一层空气垫环绕，防止其腿 部被水打湿，从而保证了水黾具有“水上 飞”的能力。
第一节 Young方程和接触角
3.4 固液界面(润湿作用)解读
接触角的测定
（1）透过高度法 固体粉末装在一以多孔板为底的玻管中，液面在毛细作用 下沿管中粉末柱上升h。
gh
2 l g cos q r
ghr cos q 2 l g
由上式可见，只要测得粉末间孔隙的平均半径 r及透过高度 h，即可结合已知的 l 求 g θ。但由于r值无法直接测定，故常 用一已知表面张力，密度和对粉末接触角 θ为0的液体来标 定。
Wi G ( ls g-s ) Wi 0能浸湿。
浸湿功(work of immersion)
铺展系数(spreading coefficient)
铺展系数(spreading coefficient)
等温、等压条件下，单位面积的液固界面取 代了单位面积的气固界面并产生了单位面积的气 液界面，这过程表面自由能变化值的负值称为铺 展系数，用S表示。若S，说明液体可以在固体 表面自动铺展。
Wa G ( ls gl g-s )
粘附功(work of adhesion)
浸湿功(work of immersion)
等温、等压条件下，将具有单位表面积的固 体可逆地浸入液体中所作的最大功称为浸湿功， 它是液体在固体表面取代气体能力的一种量度。 只有浸湿功大于或等于零，液体才能浸湿固 体。在浸湿过程中，消失了单位面积的气、固表 面，产生了单位面积的液、固界面，所以浸湿功 等于该变化过程表面自由能变化值的负值。
影响接触角测定的因素
除平衡时间和温度外，影响接触角稳定的因素还有接触角滞
后和吸附作用。 （1）接触角滞后 ①前进接触角和后退接触角 前进接触角，以液固界面取代固气界面后形成的接触角为前 进接触角θA，如将固体板插入液体中；后退接触角则相反， 即以固气界面取代固液界面后形成的接触角叫后退接触角，用 θR表示，如水滴在斜玻璃板上，流动可形成前进接触角和后 退接触角。 ②接触角滞后及原因 指前进接触角与后退接触角之差称为接触角滞后（θA-θR）
固液界面自由能
固液界面自由能
固液界面自由能是指固体和液体之间的界面自由能，也称为表面能、表面自由能或表面能量。
它是固体和液体之间的能量差，它可以用来描述固体和液体表面之间的能量交互。
它是一种物理量，它代表了固体和液体之间的界面能量。
固液界面自由能可以描述不同物质之间的相互作用，它可以反映出固体和液体之间的接触面积和界面能量。
它可以用来识别出不同物质之间的动力学相互作用，以及描述其自然表面的性质。
固液界面自由能是一种动能，它可以用来描述受温度和压力影响的固体和液体界面的形态变化，从而产生更多的理论研究和应用。
固液界面自由能的应用非常广泛，它可以用来研究固体和液体之间的能量交换，以及它们之间的相互作用。
它也可以用来研究固体表面的表面张力和润湿性，以及固体表面的胶结作用。
它还可以用来研究固体表面的抗腐蚀性和耐温性，以及不同固体表面的结构和性质。
固液界面自由能还可以用来研究不同液体之间的润湿性和胶结作用，以及液体拓扑结构的形成。
固液界面自由能是一种物理量，它可以用来描述固体和液体之间的能量交换和相互作用。
它可以用来研究液体的润湿性、胶结作用以及固体表面的表面张力和抗腐蚀性，以及不同固体表面的结构和性质。
它也可以用来研究不同液体之间的润湿性和胶结作用，以及液体拓扑结构的形成。
因此，固液界面自由
能可以作为一种重要的物理和化学工具，用于研究和识别固体和液体之间的能量交换和相互作用，以及液体的润湿性、胶结作用以及固体表面的表面张力和抗腐蚀性。
《固液界面》PPT课件
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27
第六章 固液界面
6.6 固液界面的吸附作用
6.6.1 固液界面吸附的特点 • 吸附情况复杂
由于溶液成分多，吸附剂可吸附溶质，也可吸附溶剂，同时还涉及溶质、溶剂和吸面＋被吸附分子 固液界面吸附：被吸附溶质＋被吸附溶剂
测定吸附量的实验方法简单
浸泡法：将一定量的吸附剂与一定量已知浓度的溶液相混，在一定温度
西斯曼（zisman）把固体分为两大类：
凡表面能高于100mN/m(mJ/m2)的固体叫高表面能固体，其表面
也叫高能表面。
凡表面能低于100mN/m(mJ/m2)的固体叫低表面能固体，其表面
也叫低能表面。
有机固体大都属低表面能固体，表面能与一般液体相仿，甚至更 低；无机固体大都属高表面能固体，常见的金属及其氧化物，卤化
6.1.4 润湿过程的比较
粘湿 Wa=γsg-γsl+γlg≥0 浸湿 Wi=γsg-γsl ≥0 铺展 S=γsg-γsl-γlg≥0
对一个体系而言：
Wa（粘附功）> Wi（粘附张力或浸润功）> S(铺展系数)
若S≥0,则Wi和Wa必大于0，即凡能铺展的必定能浸润与粘湿， 但能 浸润与粘湿的不一定能铺展。通常用S作为系统润湿程度的指标。
在应用吊片法测定液体表面张力的时候，为促使吊片与试液润湿良好， 总是把吊片打毛，使其表面粗化；
在制造防水材料时也要保持表面粗糙以达到更好的不润湿性。
2021/1/10
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13
第六章 固液界面
6.3 润湿接触角的测量
接触角测量仪定义：用于测量固体表面自由能的专业测量/测定仪器。
基本原理：
1、影像分析法（角测量仪Goniometry） 接触角测量仪：
电催化 固液界面机制
电催化固液界面机制
电催化是指利用电化学反应在电极表面催化物质的转化过程。
在电催化中，固液界面起着至关重要的作用，因为电化学反应通常在电极表面进行，并通过固液界面上的电荷转移、质量传递和物质吸附等过程来实现。
在固液界面上的电催化过程中，主要涉及以下几个机制：
1.电荷转移机制：电极上的电化学反应通常涉及电子和离子的
转移。
在固液界面上，电极表面和电解质溶液之间存在电荷转移的过程。
这涉及到电子的传输（在电极之间）和离子的传输（通过电解质溶液）。
2.质量传递机制：固液界面上的电化学反应过程通常伴随着物
质的扩散或传输。
这包括离子在电解质溶液中的扩散、物质在电解质溶液和电极表面之间的传输。
质量传递机制对电催化反应速率和效率有重要影响。
3.物质吸附机制：在固液界面上，电极表面可吸附反应物质或
中间体，这是电化学反应发生的关键步骤之一。
吸附物质可以在电极表面上发生进一步的转化或反应。
吸附机制往往与电化学反应的动力学和选择性密切相关。
总之，电催化在固液界面上发生，其机制包括电荷转移、质量传递和物质吸附。
这些机制共同作用，影响电催化反应的速率、效率和选择性。
深入理解固液界面机制对于优化电催化材料和设计高效催化剂具有重要意义。
第四章--固液界面
如图5-7所示，设一根纤维浸在某液体中，纤维的另一端挂在电子天 平的测量臂上。用升降装置使液面逐渐下降。纤维经(b)状态脱离液 面，在纤维脱离液面的瞬间，电子天平测出该变化过程中力的变化 P，由记录仪记下如图5-8的曲线。
如果液体完全润湿纤维，则 P = 2rL 式中r为纤维半径。 若选用半径已知金属纤维，使液体能够完全润湿纤维，则测出
4.4 接触角的测定方法 4.4.1 停滴法（图4-5）
图4-5 停滴法测接触角
将液滴视作球形的一部分，测出液滴高度h和2r， 由简单几何分析求出θ：
sin = tan =
2hr h r
2 2
(4 -1 3 ) (4 -1 4 )
2hr r h
2 2
接触角测定仪
仪器结构主要由光源、工作台、底座、放大镜、滴液 器等部分组成
液滴在固体表面 上形成如图4—2所 示的形状，这时系 统达到最小自由焓 状态。假定液滴足 够小，重力影响可 以忽略，现液体发 生一个小的位移， 使各相界面的面积 变化分别为dASL、 dASG、dALG，则
图4-2 Young方程的推导
从能量观点推导Young方程（如图4-2）
系统自由焓的变化
d G L G d A L G S G d AS G S L d AS L
① 具有OH， COOH等极性基的有机物，与水分子吸引较强，它们与 水接触后，在水面上能自动铺展，有较大的铺展系数。 ② 碳氢化合物及其被卤素取代后的衍生物，因分子的极性减弱，因而铺 展系数也较小。 ③ 对于石蜡、溴仿这些极弱的极性键和非极性键物质，与水吸引力很 小，不能在水面上铺展，所以铺展系数为负值。
4-3 Young-Dupre公式
固液界面化学反应机理
固液界面化学反应机理固液界面化学反应是指在固液界面上进行的化学反应。
它具有重要的应用价值，如在能源转换、环境控制、材料制备、生命科学等领域。
固液界面化学反应的机理包括吸附、表面化学、界面扩散、反应动力学等多个方面。
一、吸附过程在固液界面化学反应中，吸附过程是首先发生的。
吸附是指分子或离子与一种固体表面相互作用以形成一个化学吸附层的过程。
吸附现象对于固液界面化学反应机理的研究至关重要。
吸附过程可以通过浸润实验和吸附等温线来研究。
具体而言，浸润实验是通过将液体缓慢滴入固体表面，观察其润湿情况来确定吸附现象。
而吸附等温线则是通过测量在一定温度下吸附剂与固体表面吸附的平衡浓度，获得吸附等温线。
二、表面化学表面化学是指化学在分界面或界面区域中发生的各种化学反应。
此处的“化学反应”包括化学键的形成与断裂、化学吸附等等。
这些反应很大程度上影响了固液界面的性质。
表面化学方法可以通过表面活性剂和表面电荷密度的研究来表征，也可以通过X射线光电子能谱等技术来研究。
三、界面扩散界面扩散是指在固液界面上，溶液中的物质从液相向固相的扩散过程。
固液界面中存在着液相分子和固相分子间的接触，因而使得溶液中的物质向固相扩散。
界面扩散过程对于固液界面化学反应过程的影响非常明显，因此，在固液界面化学反应论文中几乎都会涉及界面扩散。
四、反应动力学反应动力学是指化学反应过程中，反应物消耗或生成的速度以及化学反应机制的研究。
在固液界面化学反应中，反应动力学是研究液-固反应过程速率的一个方面。
它的研究旨在了解物质扩散和反应速率的规律，提高反应速率和反应效率并探究化学反应的机理。
总之，固液界面化学反应机理的研究对于理解固液界面交互作用、提高反应速率和效率以及探究化学反应机理方面具有重要的实用价值。
在固液界面化学反应的研究中，需要系统的考虑吸附、表面化学、界面扩散和反应动力学等多个方面。
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：
3.4 固液界面(润湿作用)
影响接触角测定的因素
b.表面不平 表面不平也是造成接触角滞后的主要因素， 若将一玻璃粗化后，将一水滴滴在倾斜玻璃上， 则出现接触角滞后。 Wenzel研究了固体表面粗度对润湿性的影响， 他指出，一个给定的几何面经粗化后，必然使 表面积增大，若以r表示粗化程度，则
r=A（真实）/A （表观）
影响接触角测定的因素
3.3 固—液界面（润湿作用）
在等温等压条件下，单位面积的液面与固体 表面粘附时对外所作的最大功称为粘附功，它是 液体能否润湿固体的一种量度。粘附功越大，液 体越能润湿固体，液-固结合得越牢。 在粘附过程中，消失了单位液体表面和固体 表面，产生了单位液-固界面。粘附功就等于这个 过程表面吉布斯自由能变化值的负值。
接触角的测定
（4）光点反射法 原理是利用一个点光源照射到小液滴上，并在光源 处观察反射光，当入射光与液面垂直时，才能在液面 看到反射光。测定时，使光点落在三相点位，并以此为 中心，改变入射光角度，使之在固体表面的法平面中作 圆周运动，当光线在某位置突然变亮时，入射光与固体 平面法线的夹角即为接触角，此方法有较好的测量精度， 可用于测定纤维的接触角，缺点是只能测定小于90°的 接触角。
固体的润湿性质
2、低能表面的润湿性质
近年来，随着高聚物的广泛应用，低能表面的润湿 问题越来越引起人们的重视，如某些高聚物做成的生 产用品和生活用品，就要求其能很好地为水所润湿（ 加入某些无机氧化物可能是有效的办法），塑料电镀， 降解等也需要解决润湿问题。 Zisman等人首先发现，同系列液体在同一固体表面 的润湿程度随液体表面张力的降低而提高（γ ↓ ， θ ↑ ，COSθ ↑，S=γ gl(COSθ -1)若以COSθ 对γ gl 作图，
gh 2 sin q 1 2 l g
固液界面结构ppt
对实际应用的建议
加强基础研究
为了更好地推动固液界面结构的研究发展，需要加强基础研究，包括对界面现象的深入理 解、新的实验技术和表征方法的开发等。
促进学科交叉
固液界面结构Βιβλιοθήκη 及到多个学科领域，需要促进不同学科之间的交叉和合作，以便更好地推 动研究进展和应用拓展。
加强应用研究
需要加强应用研究，将研究成果直接应用于解决实际问题，以推动固液界面结构研究的发 展和实际应用的推广。
润湿性
液体在固体表面铺展的能力，通常用润湿角来表示。润湿角 越大，润湿性越差；润湿角越小，润湿性越好。
界面稳定性与抗磨性
界面稳定性
指液体在固体表面形成稳定、连续的膜的能力。界面稳定性越好，抗磨性越 好。
抗磨性
指液体抵抗固体磨损的能力。抗磨性与液体的粘度、硬度、韧性等因素有关 。
界面结构与传质性能
06
研究展望
研究方向的不足之处
缺乏对固液界面微观结构的深入理解和研究
目前的研究主要集中在宏观层面，对于微观结构的研究尚不充分，这将影响对界面现象的准确描述和预测。
缺乏统一的模型和理论
由于固液界面结构的复杂性和多样性，目前缺乏能够全面描述各种现象的统一模型和理论，这可能导致在实际 应用中的预测和控制能力受限。
改变界面结构
表面活性剂分子有序排列在液固界面上，形成界 面层，改变界面的微观结构和性质。
提高润湿性能
通过在固液界面上形成界面层，改善固体表面的 润湿性能，提高液滴在固体表面的附着力。
界面改性的方法
化学改性
通过化学反应改变界面的性质，如偶联剂处理、化学氧化还原等 。
物理改性
利用物理作用改变界面的性质，如等离子体处理、紫外线照射等 。
电催化 固液界面机制
电催化固液界面机制
电催化是一种利用电流驱动化学反应的方法，在催化剂的作用下，通过电能转化为化学能。
固液界面机制是电催化反应中的重要环节，它直接影响着反应速率和选择性。
固液界面机制主要包括两个方面：电荷转移和质量传递。
电荷转移是指电子从电极传递到催化剂表面的过程。
当电子传递到催化剂表面后，它们可以与催化剂中的化学物质发生反应，从而促进反应的进行。
质量传递则是指化学物质在电极表面与电解液之间的扩散过程。
在电催化反应中，反应物和产物需要在电极表面与电解液中进行传递，才能完成反应。
在电荷转移过程中，催化剂表面的电子转移是实现有效电催化反应的关键。
许多催化剂都有丰富的电子传导能力和活性位点，可以促进电子的转移。
此外，催化剂的电化学活性也直接影响着电荷转移速率。
催化剂的活性位点越多，电子转移越容易发生，从而提高反应速率。
因此，合理设计和制备催化剂是实现有效电催化的重要途径。
质量传递过程中，化学物质在电解液中的扩散速率也起着重要作用。
传质速率取决于溶液中化学物质的浓度梯度和扩散系数。
为了提高电催化反应的效率，可以通过调控电解液中的浓度和使用具有高扩散系数的溶剂来提高质量传递速率。
综上所述，了解电催化反应的固液界面机制对于优化电催化反应的条件具有重要指导意义。
在实际应用中，我们可以通过优化催化剂
的结构和性质，合理选择电解液和操作条件，以提高电催化反应的效率和选择性。
电催化技术的发展将为产业界提供更加清洁、高效的能源转化和化学制品合成的路径，为可持续发展作出重要贡献。
4第四章--固液界面解析
LG
r cos y
(5-22)
式中θy为Young接触角，上式叫做Wentzel方程。它表明粗糙表面的 cosθw的绝对值总比平滑表面的cosθy大。
（1）当θy<90°时，表面粗糙化将使接触角更小。 润湿性更好。 （2）当θy>90°时，表面粗糙化将使接触角变大。
润湿性更差。
（3）由式5-22可以估算实验的误差，例如：
图5-11 浸润曲线
充填率ξ =0.47~0.53
Wl l cos m 2 t H W f Ap l
3 2
以 m 2 ~t 作图，可得直线。该直线的斜率 即为（5-20）式中t的系数。由斜率即可 求出接触角θ。
接枝改性丙纶的接触角
1.7.5 接触角的滞后现象
1 前进角和后退角 前进角θa 最大前进角θa,max 后退角θr 最小后退角θr,min
2. Young方程
SG SL LG cos
(5-1)
dASL dASG dALG cos dASL
图5-2 Young方程的推导
从能量观点推导Young方程（如图5-2）
系统自由焓的变化
dG LG dALG SG dASG SL dASL
在理想光滑、组成均匀的表面上的平 衡接触角就是Young氏角。许多实际表 面都是粗糙的或是不均匀的，液滴可 以处在稳定平衡态（即最低能量态）， 也可处于亚稳平衡态，即出现接触角 的滞后现象。
引起接触角滞后的原因 固体表面的粗糙度 固体表面的不均匀性和多相性 固体表面的污染
2由于表面粗糙引起的滞后
当θ=10o时，若r=1.02，则θy-θw=5o；
（3－23）
n=∞，上式成为二常数式；
第3章 固液界面
34
4
润湿过程的比较
以上三种润湿发生的条件可归纳如下：
粘附润湿：
浸湿：
铺展润湿是：
35
三种润湿依次表示为：Wa>A>SL/S。 换言之若SL/S≥0，必有Wa>A>0,即凡能铺 展的必定能粘附润湿与浸湿，铺展湿润是程 度最高的一种润湿。
36
三种润湿发生的条件：
粘附润湿：
浸湿：
铺展润湿是：
37
17
测定两种互不相溶液体之间的界面张力和界面
接触角。
图3-9 界面张力和界面接触角的测试
18
若完全浸润
若界面张力σL1L2已知，液体与纤维之间存在接 触角θL1/L2，则：
因此，测定ΔP可求出纤维在L1/L2界面的接触角
θL1/L2。
19
局限性
对仪器精密度要求高，操作难度大； 测试的是单根纤维，误差大。
29
2、浸湿
V S
L
浸湿过程
30
浸湿过程引起的体系自由能的变化为
G SL SV
如果用浸润功Wi来表示，则是
Wi G SV SL
是浸润功，若Wi≥0，则ΔG≤0，过程可自发进 行。浸湿过程与粘湿过程不同，不是所有液体和 固体均可自发发生浸湿，而只有固体的表面自由
S L / S G SV SL LV
若S≥0，则ΔG≤0，液体 LV SL 2 LV Wa Wc
Wc是液体的内聚功。从上式可以看出，只要液体对固 体的粘附功大于液体的内聚功，液体即可在固体表面自 发展开。
第3章 固-液界面
授课人：李立华 材料科学与工程系
1
复习
地震波固液界面的边界条件
地震波固液界面的边界条件一、引言地震是地球内部能量释放的结果，会产生地震波传播到地球表面。
地震波在传播过程中会遇到不同介质的界面，如固液界面。
固液界面是指地震波从固体传播到液体或从液体传播到固体的界面。
在地震波传播过程中，固液界面的边界条件起着重要作用，影响着地震波的传播特性。
本文将对地震波固液界面的边界条件进行探讨。
二、固液界面的特点固液界面是由固体和液体组成的界面，具有一定的特点。
首先，固液界面具有反射和折射的能力，当地震波从固体传播到液体或从液体传播到固体时，会发生反射和折射现象。
其次，固液界面还存在能量传递的过程，地震波在固液界面上的传播会导致能量的转移。
此外，固液界面的边界条件对地震波的传播速度和传播方向也有一定影响。
三、固液界面的边界条件1. 位移连续性条件固液界面上的位移连续性条件是指固体和液体两侧位移的大小和方向相等。
当地震波从固体传播到液体时，固液界面上的位移连续性条件可以用来描述固体和液体之间的相互作用。
该条件可以表达为：\[u_{1}+u_{2}=0\]其中，\(u_{1}\)为固体侧的位移，\(u_{2}\)为液体侧的位移。
2. 应力连续性条件固液界面上的应力连续性条件是指固体和液体两侧的应力大小和方向相等。
当地震波从固体传播到液体时，固液界面上的应力连续性条件可以用来描述固体和液体之间的相互作用。
该条件可以表达为：\[\sigma_{1}+\sigma_{2}=0\]其中，\(\sigma_{1}\)为固体侧的应力，\(\sigma_{2}\)为液体侧的应力。
3. 质量连续性条件固液界面上的质量连续性条件是指固体和液体两侧的质量流量大小相等。
当地震波从固体传播到液体时，固液界面上的质量连续性条件可以用来描述固体和液体之间质量的交换。
该条件可以表达为：\[\rho_{1}v_{1}=\rho_{2}v_{2}\]其中，\(\rho_{1}\)为固体侧的密度，\(\rho_{2}\)为液体侧的密度，\(v_{1}\)为固体侧的速度，\(v_{2}\)为液体侧的速度。
第五章固液界面-课件
第五章固液界面-课件5.1润湿作用（4学时）5.1.1润湿过程5.1.2接触角与润湿方程5.1.3接触角的测量5.1.4影响接触角的因素5.1.5表面活性剂对润湿的影响5.2固液界面的吸附作用（4学时）5.2.1固液界面吸附的特点5.2.2自浓溶液中的吸附5.2.3自稀溶液中的吸附5.2.4自电解质溶液中的吸附5.3大分子的吸附（1学时）5.3.1吸附等温式5.3.2生物大分子和聚合物的吸附5.4表面活性剂在固液界面上的吸附（1学时）5.1润湿作用5.1.1液体在固体表面的润湿作用润湿（wetting）是指在固体表面上一种液体取代另一种与之不相混溶的流体的过程。
润湿过程可分为三类：沾湿（adheion）浸湿（immerion）铺展（preading）（1）沾湿：液体与固体由不接触到接触，变液气界面和固气界面为固液界面的过程Wa=γlg+γg-γlWa:粘附功>0自发（2）浸湿：固体浸入液体的过程。
（洗衣时泡衣服）固气界面为固液界面替代。
-G=γg-γl=WtWt:浸润功>0自发（3）铺展：以固液界面取代固气界面同时，液体表面扩展的过程。
铺展系数S=γg-(γlg+γl)≥0时自发小结：（1）无论哪一种润湿都是界面现象，其过程实质都是界面性质及界面能量的变化（2）对比三者发生的条件沾湿：Wa=γlg+γg-γl≥0浸湿：γg-γl≥0铺展：S=γg-(γlg+γl)≥0（3）固气和固液界面能对体系的三种润湿作用的贡献是一致的。
5.1.2接触角与润湿方程将液体滴于固体表面上，液体或铺展或覆盖于表面，或形成一液滴停于其上，此时在三相交界处，自固液界面经液体内部到气液界面的夹角就叫做接触角。
Yang方程：γg-γl＝γlgcoθWa=γlg(coθ+1)≥0θ≤180沾湿A=Wt=γlgcoθ≥0θ≤90浸湿S=γlg(coθ-1)=0θ=0铺展习惯上将θ=90°定义润湿与否标准5.1.3接触角的测量（一）角度测量法（量角法）(1)切线法(2)斜板法γSLγLGθγSG(3)光点反射法（二）长度测量法（1）小滴法（2）大滴法（液饼法）（3）垂片法皆是通过与相关长度测量计算得到。
研究物质在固液界面上的吸附和分离行为
研究物质在固液界面上的吸附和分离行为固液界面是指固体与液体相接触的区域，其中存在着物质的吸附和分离行为。
这种行为不仅在日常生活中广泛存在，还在工业制备、环境保护等领域有着重要的应用价值。
因此，研究物质在固液界面上的吸附和分离行为一直是材料科学、化学、环境科学等领域的热门研究课题。
一、固液界面上的吸附行为固体表面通常具有极性和非极性两种区域，其上各自存在着不同的化学键和电子云密度。
当固体表面与液体接触时，两者之间形成的界面区域存在着一定的静电势差，导致物质分子向固液界面聚集并与之发生相互作用。
这种相互作用可以表现为化学键或物理力，导致物质分子在固液界面上发生吸附。
物质在固液界面上的吸附行为是受多种因素影响的。
例如，物质与固体表面的亲和力、表面的粗糙度和形貌、液体的化学性质和溶剂极性等。
因此，在研究固液界面上的吸附行为时，需要考虑物质的性质、表面的形貌、溶液的性质等多个因素。
二、固液界面上的分离行为固液界面上的分离行为是指将吸附在固液界面上的物质分离出来的过程。
这种分离行为在化学合成、制药生产、废水处理等领域中有着广泛的应用。
分离固液界面上的物质通常需要借助化学反应、分子筛分离等技术手段。
其中，分子筛分离技术具有广泛的应用前景。
分子筛是一种能够选择性地吸附和分离特定分子的结构完整的晶体材料。
基于分子筛的分离技术已经被应用于油田采油、气体分离、废水处理等领域。
三、固液界面上的材料设计研究固液界面上的吸附和分离行为可以为新型材料的设计提供一定的理论基础。
例如，通过研究固液界面上物质的表面亲和力和粗糙度，可以设计出更高效的固液分离材料。
通过研究不同溶剂对物质吸附行为的影响，可以为制备更稳定的吸附材料提供指导。
在新型材料的设计中，一个重要的研究方向是固液界面上的微纳米尺度控制。
这种控制可以通过压印、溶胶凝胶、原子层沉积等方法实现。
通过这种方式，在固液界面上制备出具有特定表面能、有效吸附和分离性能的材料，进一步扩大了相关领域的应用范围。
金属凝固时固液界面为粗糙界面的原因
金属凝固时固液界面为粗糙界面的原因金属在凝固时，固液界面总是呈现出一种“粗糙”的状态。
你要是看看金属从液态变成固态的过程，简直像是大自然给我们上演的一场小小魔术——但是，魔术背后有它的原因。
我们都知道，金属在液态时分子之间距离比较远，像是人群散得比较开，大家悠闲地站着没什么太大的联系。
而当温度降低，金属开始凝固时，分子就像是打了鸡血一样，开始快速聚集，朝着有序的结构靠近了。
乍一看，这不是挺顺利的吗？可为什么最终的固液界面却是那么粗糙，甚至可以说有点像“刮伤”的感觉呢？来，咱们慢慢聊。
凝固本身就是一个复杂的过程。
就像我们做蛋糕，液体的面糊要在热源作用下慢慢凝固成固体，过程中总会有一些不均匀的地方，这和温度有关。
金属也是一样，当它从高温的液态降到低温时，温度逐渐降低的区域会出现不同的冷却速度。
不同的地方速度不一样，分子也就无法在每个地方都“优雅”地排列好。
所以一开始，分子在冷却的过程中可能是有点“急躁”的，没办法像织布一样整齐地排好。
就像有人站队，结果不小心挤作一团，队伍就乱了。
所以，固液界面自然就显得有些“粗糙”了。
金属凝固的过程往往伴随着晶体的生长。
你想啊，晶体就像是从金属液体中“蹦”出来的一块块“小石头”，它们慢慢聚集在一起，形成固态。
可是晶体的生长并不是像我们想象的那样，一颗一颗整齐地堆叠在一起。
你可以想象一群小朋友在踢足球，他们不可能每个人都按照相同的速度和方向跑动，对吧？这就导致了晶体在生长时，它们之间有时会发生碰撞，有时会受到周围物质的干扰，形成“坑坑洼洼”的表面。
这些“坑洼”就是我们看到的粗糙界面。
要知道金属不是单一的元素，它通常是合金。
合金中的不同元素，像是铝、铜、镍这些小伙伴，它们的熔点和溶解度各自不太一样。
所以当金属液体冷却时，不同的元素往往在不同的地方凝固，互相“夹杂”在一起。
这种夹杂导致的界面不可能像一块整齐的玻璃，而是有点“坑坑洼洼”的。
所以你可以想象，合金中的这种成分差异，给固液界面增加了更多的“障碍物”，让界面变得更加粗糙。
固液界面传热,lammps
固液界面传热,lammps摘要：一、固液界面传热简介1.固液界面传热定义2.固液界面传热的重要性二、LAMMPS模拟软件MMPS简介MMPS在固液界面传热模拟中的应用三、固液界面传热模拟方法1.分子动力学方法2.热力学方法四、固液界面传热模拟案例分析1.案例一：传热系数的影响2.案例二：界面张力对传热的影响五、固液界面传热研究的发展趋势与前景1.多尺度模拟方法2.高性能计算技术的发展正文：固液界面传热是指在固态和液态之间存在的一个界面层，通过这个界面层进行的热量传递过程。
这个过程在材料科学、化学工程、生物医学等多个领域都有重要的应用，如相变材料、电池热管理、生物组织热传导等。
LAMMPS（Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator）是一款广泛应用于分子动力学模拟的软件，具有强大的并行计算能力，可以对大量原子或分子进行精确的模拟。
在固液界面传热的研究中，LAMMPS可以用来模拟界面层中原子或分子的运动，从而揭示固液界面传热的微观机制。
固液界面传热模拟方法主要包括分子动力学方法和热力学方法。
分子动力学方法通过模拟原子或分子在界面层中的运动，计算其动能和势能，从而得到界面层的传热特性。
热力学方法则是通过计算固液界面间的热力学参数，如界面张力、表面能等，来研究界面层的热量传递过程。
在实际应用中，固液界面传热模拟可以帮助我们优化材料的设计，提高传热效率。
例如，在传热系数的影响模拟中，我们可以通过改变材料的成分或界面条件，来提高固液界面的传热系数，从而提高整体的热传递效率。
又如，在研究界面张力对传热的影响时，我们可以通过调整界面张力的大小，来优化固液界面传热过程，从而为实际工程应用提供指导。
未来，固液界面传热研究的发展趋势将更加注重多尺度模拟方法的研究，即将分子动力学模拟与连续介质模型相结合，实现从微观到宏观的跨尺度模拟。
地震波固液界面的边界条件
地震波固液界面的边界条件地震波在传播过程中会遇到地下固液界面，例如地下水层、河流、湖泊等水体。
这种固液界面对地震波的传播起到了重要的影响，因此需要了解固液界面的边界条件。
1. 位移连续性边界条件固液界面上的位移连续性边界条件要求地震波通过固液界面时，界面上的质点位移连续。
即固液界面上的质点在地震波传播时，不能发生位移突变。
这是由于地震波的传播是由固体介质到液体介质，介质性质的突变会导致能量的部分反射和折射。
2. 应力连续性边界条件固液界面上的应力连续性边界条件要求地震波通过固液界面时，界面上的应力连续。
即固液界面上的质点在地震波传播时，不能发生应力突变。
这是由于地震波的传播是由固体介质到液体介质，介质的性质突变会导致应力的反射和折射。
3. 能量平衡边界条件固液界面上的能量平衡边界条件要求地震波通过固液界面时，能量守恒。
即固液界面上的质点在地震波传播时，能量的输入等于输出。
这是由于地震波的传播是能量的传递过程，固液界面上的能量平衡保证了地震波能量的准确传递。
4. 反射与透射边界条件固液界面上的反射与透射边界条件是指地震波通过固液界面时发生的反射和折射现象。
根据Snell定律，地震波在通过界面时会发生折射，折射角度与入射角度和介质的波速有关。
同时，部分地震波会发生反射，反射角度与入射角度相等。
这些反射和折射现象在地震勘探中起到了重要的作用。
5. 界面阻抗匹配边界条件固液界面上的界面阻抗匹配边界条件要求固液界面上的阻抗匹配。
界面阻抗是介质的密度和波速的乘积，介质的阻抗差异会导致地震波的反射和折射。
在地震勘探中，通常会通过调整固液界面两侧的介质性质来实现界面阻抗的匹配，以减少反射和折射现象。
地震波固液界面的边界条件对地震波的传播具有重要的影响。
合理应用这些边界条件可以有效地模拟地震波的传播过程，提高地震勘探的准确性和可靠性。
同时，对固液界面的理解也有助于优化地震勘探的设计和解释。
因此，对地震波固液界面的边界条件的研究和应用具有重要的意义。
固液界面的稳定性
06
研究展望与未来发展趋势
新材料设计
01
02
03
新型高分子材料
研究具有优异性能的新型 高分子材料，提高固液界 面稳定性。
纳米材料
利用纳米材料在固液界面 形成稳定的纳米结构，提 高界面粘附力。
多层结构材料
设计多层结构材料，通过 层间相互作用提高界面稳 定性。
表面改性技术
化学改性
利用化学反应对材料表面进行改 性，提高表面能，增强界面粘附
度变化也会影响表面张力。
界面张力
界面张力定义
界面张力是指两种不同液体之间的相互吸引力，是两种液体内部分子之间的凝聚力作用于 液体界面上的结果。
界面张力的物理意义
界面张力反映了两种液体之间的相互吸引程度，界面张力越大，两种液体之间的相互吸引 力越大，固液界面越稳定。
界面张力的影响因素
界面张力的影响因素包括温度、压力、溶液性质等。温度升高会导致分子热运动加剧，界 面张力降低；压力增大也会使界面张力降低；溶液性质变化也会影响界面张力。
阻垢剂
利用界面稳定性原理，可以设计和制 备具有优异阻垢性能的阻垢剂，如聚 合物阻垢剂、有机酸阻垢剂等。
脱附和润湿现象
脱附现象
在固液界面上，固体颗粒可能会被液体 吸附或黏附，导致界面稳定性降低。通 过提高界面稳定性，可以减少脱附现象 的发生。
VS
润湿现象
在固液界面上，液体可能会润湿或浸润固 体表面，导致界面稳定性发生变化。通过 控制界面稳定性，可以调节润湿现象的发 生和程度。
固液界面的稳定性
汇报人：文小库 2023-12-19
目录
• 引言 • 基础理论 • 材料性质对界面稳定性的影响 • 外力对界面稳定性的影响 • 界面稳定性在工程中的应用 • 研究展望与未来发展趋势
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当?=0?或180?时，则分别称为完全润湿和完 全不润湿。
由Young方程式可得： cos? = (? s-g ? ? s-l ) / ? l-g 上式表明润湿角的大小与三相界面张力之间的定量关系。
例如塑料表面的印刷，聚合物与其他材料的粘结，机械的润滑，以 及去污、乳化、分散等，都与润湿现象密切有关。
能被水润湿的物质叫亲水物质，像玻璃、石英、方解石、长石等。 不能被水润湿的物质叫疏水物质，像石蜡、石墨、硫黄等。
润湿作用涉及气、液、固三相 将一液滴滴在固体表面上，形成图 5-1的形状。
设在固-液-气三相界面上，固-气的界面张力 为? SG，固-液的界面张力为? SL，气-液的界面 张力为? LG。
铺展是润湿的最高标准，极限的情况下，可得到一个分子层厚的 铺展膜层。
润湿理论的应用
润湿现象在某些工业生产中有着重要的地位。
如在冶金结晶过程中，熔体中的杂质( 如氧化物、氮化物 等) 若与晶粒之间界面张力小，则接触角小，润湿性就 好，晶核质点便会在杂质上铺展，以杂质为中心促进 结晶过程的进行。
此原理在细化晶粒，改善和提高金属的机械性能方面非常 重要。
在表面重溶、表面合金化、表面覆层及表面涂装等表面改质
中，都希望得到大的铺展系数Sl/s，为此不仅要对表面预处 理，还要对表面成分进行选择，如果 Sl/s 过小，就难以得到 均匀、平滑的表面。
美国的某次登月计划遭到失败，驱动火箭的液态燃料在一次断路周期后 未能按原定计划执行第二次点燃。系统装置肯定不会发生问题，什么原 因导致登月计划失败呢 ? 一位表面化学家提出了他的看法，他认为原因 在于液体燃料不能很好地润湿容器，并在失重空间中成了如图 1-2。若改 进燃料对容器的润湿性，形成如图 1-3，就可使燃料顺利地进入油泵。
按式(5-5)，以m2—t作图，可得直线。该直线的斜率即为式 (5-5)中t的 系数。由斜率即可求出接触角 ?。
4-5 润湿过程的三种类型
润湿过程有三种类型： 粘附润湿(adhesional welting) 浸湿(immersional welting) 铺展润湿(spreading welting) 。
润湿作用可以从分子间的作用力来分析
润湿与否取决于液体分子间相互吸引力 (内聚力)和液固分子间吸引力 (粘附力)的相对大小。若后者较大，则液体在固体表面铺展，呈润湿； 若前者占优势则不铺展，呈不润湿。
例如，水能润湿玻璃、石英等是因为玻璃和石英是由极性键或离子 键构成的物质。它们和极性水分子的吸引大于水分子间的吸引力， 因而滴在玻璃、石英表面上的水滴，可以排挤它们表面上的空气而 向外铺展。
Wa = ? A + ? B ?? AB
内聚功表征了相同液体表面间的吸引强度； 粘附功表征不同液体或液体与固体间的吸引强度。
若把不溶于水的液体 (B) 滴在水 (A) 面上，可能发生两种 情况。
一种情况为液体在水面上不铺展开而形成一凸镜式液滴。 这是由于液滴本身的内聚功大于该液体对水的粘附功。
另一种情况是滴在水面上的液体展开形成一层薄膜，这是 由于液体本身的内聚功小于液体对水的粘附功。
一种不溶于水的液体能否在水面上展开可用粘附功和内聚功之差即铺展 系数Sl/l 来表示：
Sl/l = Wa —Wc = [? A + ? B ? ? AB ] ? 2? B = ? A ? ? B ? ? AB
当Sl/l >0 时，液体B在A的表面上会自动展开，并且 Sl/l 值越大，则液 体B 在水面A 上越易展开；
由Young方程可以看出，表面能高的固体比表面能低的固体更易 被液体所润湿。
通常把0.1N.m-1 以下的物质作为低能表面，如固体有机物及高聚 物的表面；
把1～10N.m-1以上的物质作为高能表面，如金属及其氧化物、 硫化物、无机盐等的表面。
在生产上可以通过改变三个相界面上的 ? 值来调整润湿角。
通过流体力学分析，可推导得出如下公式： m2 = (W12? 1 cos?／H2? WfAP? 1)?t
(5-5)
式中：m为在润湿时刻t时的增重量，由实验记录； W1为平衡时的总增 重量，由实验测定；
H为纤维的充填高度，可量取； ? 为浸润液粘度，可查取； Wf为纤维的充填质量，可称取； AP为纤维的比表面积，可查取或测定； ? 1为液体的密度，可查取或测定； ? 1为液体的表面张力，可测定或查取。
(5-4)
上式称为Young-Dupre方程，它将固-液之间的粘附功与接触角联系起来。
在式(5-4)中，如果?=0?，则 WSL = 2? LG 即粘附功等于液体的内聚功，固 -液分子间的吸引力等于液体分子与液体 分子的吸引力，因此固体被液体完全润湿。
当?=180?， WSL = 0 即液-固分子之间没有吸引力，分开固 -液界面不需作功。此时固体完全 不为液体润湿。
第四章 固-液界面
4-1 固体表面的润湿 4-2 内聚功(Wc)和粘附功(Wo) 4-3 Young-Dupre 公式 4-4 接触角的测定方法 4-5 润湿过程的三种类型 4-6 固体表面的润湿性质
4-1 固体表面的润湿
润湿现象及润湿角 液体在固体表面上铺展的现象，称为润湿。 润湿现象不仅影响自然界中动、植物的种种生命活动，对人类的生 活与生产也起着重要作用。
1. 粘附润湿过程
液体直接接触固体，变气-液表面和气-固表面为液-固界面 的过程。
树脂是否能粘附在玻璃纤维上成为玻璃钢，照相乳剂是否 能均匀地粘附在片基上，这些问题均涉及粘附润湿能 否自发进行，即? G<0否?
液体粘附在固体上的面积为A，在等温 等压条件下，由热力学可得过程的表 面自由能降低为：
因未将液体拉开时，在虚线处无表面，拉开后 出现了两个表面，每个表面皆为 1cm 2。产生 1cm 2新表面所需的功为 ? ，产生2cm 2所需的 功为2? 。所以内聚功为：
Wc = 2 ?
如果液柱的上端为液体 B ，下端为不相溶的液体 A (或固体) ，则拉开后原来的界面 AB 不再存在，而 出现了两个新的表面 A 和B 。这时所消耗的功叫粘 附功。其表达式为：
在三相交界处自固-液界面经过液体内部到 气-液界面的夹角叫接触角，以?表示。
则三相界面张力? SG、? SL、? LG服从下面的Young方程：
? SG = ? SL + ? LG cos?
(5-1)
Young方程是研究液-固润湿作用的基础。
润湿和不润湿通常采用润湿角进行定量描述
当?<90?时称为润湿，?角越小，润湿性越好 ，液体越容易在固体表面展开。
若界面张力? L1/L2已知，液体与纤维之间存在接触角?L1/L2，则： ? P = 2?r? L1/L2 cos?L1/L2
因此，测定? P可求出纤维在L1／L2界面的接触角?L1/L2。
另一种电子天平法使用一束纤维，而不是一根纤维，如图 5-10所示。 在塑料管中充填一束纤维，充填率 ?=0.47?0.53。使纤维束与液面接触， 因毛细现象，液体沿着纤维间空隙上升，用电子天平测出增重量 m随浸 润时间变化，可得如下曲线。
若Sl/l 为负值，则表示液体 B在水面 A 上不铺展，负值越大表示越难铺 展。
① 具有? OH， ?COOH 等极性基的有机物，与水分子吸引较强，它们与 水接触后，在水面上能自动铺展，有较大的铺展系数。
② 碳氢化合物及其被卤素取代后的衍生物，因分子的极性减弱，因而铺 展系数也较小。
③ 对于石蜡、溴仿这些极弱的极性键和非极性键物质，与水吸引力很 小，不能在水面上铺展，所以铺展系数为负值。
水不能润湿石蜡、石墨等是因为石墨、石蜡是弱极性键构 成或非极性键构成的物质。它们和极性水分子间的吸引力 小于水分子间的吸引力，因而滴在石蜡上的水滴不能排开 它们表面层上的空气，水滴因此紧缩成一团而不能向外铺 展。
4-2 内聚功(Wc) 和粘附功(Wo)
设有一横截面积为 1cm 2的液柱，若不改变截 面积而将其沿中部拉断，这时所消耗的功叫做 该液体的内聚功。
一般有 ? S ? ? SG = ? ?称为扩展压(spreading pressure)。
在气-液-固三相系统中，固 -气，液-气均达到平衡，即固、液表面都
吸附了气体，因此式(5-2)写成：
WSL = ? SG + ? LG ? ? SL
(5-3)
与Young方程（5-1）结合可得： WSL = ? LG (1+cos?)
实际上，固-液之间多少总存在吸引力，接触角 ?在0?-180?之间。
接触角越小，粘附功越大，润湿性越好。
4-4 接触角的测定方法
（1）停滴法 在光滑、均匀、水平的固体表面上放一小液滴， 因液滴很小，重力作用可忽略。 将液滴视作球形的一部分，测出液滴高度 h与 底宽2r。由简单的几何分析可求出。
（2） 吊片法
如图5-7所示，设一根纤维浸在某液体中，纤维的另一端挂在电子天 平的测量臂上。用升降装置使液面逐渐下降。纤维经 (b)状态脱离液 面，在纤维脱离液面的瞬间，电子天平测出该变化过程中力的变化 ? P，由记录仪记下如图5-8的曲线。
如果液体完全润湿纤维，则 ? P = 2?r ? L 式中r 为纤维半径。 若选用半径已知金属纤维，使液体能够完全润湿纤维，则测出 ? P，即可求出液体的表面张力 ? L。
凡是能引起任一界面张力变化的因素都能影响固体表面的润湿性。
当? s-g > ? s-l 时，则cos?>0，?<90?，此时为润湿；而且? s-g和? s-l相差越 大，? 角越小，润湿性越好。
当? s-g < ? s-l时，则cos?<0，?>90?，此时不润湿；当? s-l越大和? s-g越小 时，? 角越大，不润湿程度也越严重。