液体在固体表面的润湿作用20158
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）
润湿作用
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。
液体在固体表面的润湿
Wa l g (1 cos )
Wi s g s l
Wi l g cos
S l g (cos 1)
S s g sl l g
第三节 固体表面的润湿性质 低表面能表面：< 0.1N.m-1 ,通常将固体有机及高聚 物的表面视为低表面能。 高表面能表面：1N.m-1以上的物质。通常将金属及其 氧化物、硫化物、无机盐等的表面视为高表面能表 面。 s g s l 从润湿方程 cos
S s g sl l g
式中，S为铺展系数，当S≥0时，液体可以在固体 表面上自动铺展
第二节 接触角与润湿方程 接触角：即在固－液－气三相交点处作气液 界面的切线，此切线与液固交界线之间的 夹角就是接触角。
1805年，Young首先提出，将接触角的问题当作平 面固体上的液滴在三个界面张力作用下的平衡来处 理： 将上式分别代入下面三个方程式中
通过以上三种实验，得出如下几点规律： （1）高分子固体的润湿性质与其分子的元素 组成有关。在C-H链中加入其它杂原子，高 聚物的润湿性明显得到改善。氟原子的加 入使润湿性明显降低，即变小。而其它原 子的加入使之升高。它们增进润湿性能的 能力有如下次序:N >O >I >Br > Cl >H-F (2)附有表面活性物质分子层的玻璃或金属的 表面显示低能表面的性质，说明决定固体 润湿性质的是表面原子或原子团的性质及 排列情况，而与内部结构无关。 （3） 是固体的特征值，与液体的关系不大
二、高能表面的润湿和自憎 自憎：表面张力较低的液体吸附在高能表面 上，形成C-H基朝向空气的表面膜，使高能 表面变成低能表面，临界表面张力低于液 体表面张力，液体不能在固体表面膜上铺 展的现象。
润湿作用的应用及原理
润湿作用的应用及原理一、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。
润湿作用广泛应用于各行各业，例如表面涂料、化妆品、医疗器械、涂层材料等。
二、使用润湿作用的应用领域润湿作用在很多领域都有重要的应用，以下为一些常见的应用领域：1. 化妆品润湿作用在化妆品中起着重要的作用。
化妆品中的润湿剂能够帮助产品更好地附着在皮肤表面，提高化妆品的使用体验。
同时，润湿作用还可以增加化妆品在皮肤上的持久性，使其更加耐用。
2. 医疗器械润湿作用在医疗器械中也有广泛的应用。
例如，在外科手术中，医疗器械通常需要与组织和体液接触，润湿作用可以帮助器械更好地与组织接触，并减少对组织的创伤。
3. 涂料润湿作用在涂料领域也有重要的应用。
涂料的润湿剂可以改善涂料在基材表面的附着，提高涂料的抗刮擦性和耐久性。
此外，润湿作用还可以减少涂料施工时的气泡和裂痕，提高涂料的光泽度。
4. 纺织工业在纺织工业中，润湿作用可以帮助纺织品更好地吸收染料，提高染色效果。
润湿剂可以改善纺织品与染料之间的接触，使染料能够快速、均匀地渗透到纤维中，提高染色的效果。
5. 粮食储藏润湿作用也可用于粮食储藏。
在贮存过程中，粮食表面积少的因素大大限制了湿气的渗透和沉积，采用润湿技术可以增加粮食表面积，提高粮食的储存效果。
三、润湿作用的原理润湿作用的原理涉及表面张力、界面能的概念及表面活性剂的作用，以下是润湿作用的一般原理：•表面张力：润湿作用的关键是液体的表面张力。
表面张力越小，润湿作用越好。
因为表面张力越小，液体越容易渗透到固体表面上，并形成一层薄液体膜。
•界面能：固体表面和液体之间具有一定的能量差异，称为界面能。
润湿作用的原理是通过降低界面能差异，使液体能够更好地湿润固体表面。
•表面活性剂：表面活性剂是一种能够降低表面张力的物质。
通过添加表面活性剂，可改变液体的表面性质，改善润湿作用。
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。
第八章 润湿作用
（1）前进角与后退角
固液界面取代固气界面后形成的接触角
叫做前进角a (滴加液体时) 而气固界面取代固液界面形成的接触角 叫做后退角R (移走液体时) 通常后退角小于前进角。
造成接触角滞后的主要原因是表面不平和 表面不均匀（污染）。 Harkins仔细研究了石墨、滑石、硫化锑及 石腊等样品，通过精心准备，精心测量，得 到结果表明前进角与后退角的差别在实验误 差内。结论：前进角和后退角的差异是样品 制备不当和测量技术不佳的结果。
sg sl lg cos
一般前进角反映与液体亲合力弱的那部分固 体表面润湿性，而后退角则反映与液体亲合 力较强的那部分固定表面润湿性。
固体表面粗糙是造成接触角滞后的重要因素
接触角滞后液体在不同粗糙度的石腊表面上的a- R
液体 水
（3）表面粗（糙）度
0° 11 10
30° 30 24
r sg sl lg cos
’ ：粗糙表面接触角
故
r cos / cos 1
Wenzel方程
上式表明：粗糙表面的接触角余弦函数 （绝对）值总是比平滑表面的绝对值大， 即＞90°时表面粗化将使变大，而 ＜90°时表面粗化将使变小。
提示：对于具有润湿性的体系，表面粗 化对体系润湿性起促进作用。而对于不 能相互润湿的体系，表面粗化则使体系 更不润湿。 例如：吊片法——打毛。 防水材料——保持表面粗糙
（2）固体的润湿性质（规律）
①固体的润湿性与分子极性有关。在CH，CF化 合物中，极性化合物的可润湿性显著优于相 应的完全非极性化合物。 ②高分子固体的润湿性与其分子的元素组成有 关。在CH链中加入各种杂原子增进固体可润 湿的能力。F＜H＜C1＜Br＜I＜O＜N；取代越 多，影响越大，（注意F原子加入会降低固体 可润湿性） ③固体的润湿性质取决于固体表面层原子或原 子团的性质及排列情况，与基质无关，一定 的表面基团对应于一定的润湿能力。
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。
3.4 固液界面(润湿作用)要点
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）
dh 2 r cos q dt 8 h r cos q 2 h t 2 dh 2 r cos q dt 2
此式称为Washburn方程，如果在粉末柱接触液体后立即 测定h～t关系，以h2～t作图，则从直线斜率得 r cos q ， 代入已知的η （粘度），r（平均 2 半径），γ可得θ。
接触角的测定
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
固体的润湿性质
（1）表面张力大于100mN/m者称为高能固体，这些固体易 被液体所润湿，如无机固体、金属及其氧化物等。 （2）表面张力低于100mN/m者称为低能固体，这类固体不 易被液体所润湿，如有机固体、高聚物固体。 一般的无机物固体（陶瓷、金属等）的表面能约在500～ 5000mN/m，其数值远远大于一般液体的表面张力，因 此，液体与这类固体接触后，使固体表面能显著降低。
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，
物理化学-润湿作用PPT课件
粘附润湿
___<___0 cos __<__ 0
不润湿
例：固体颗粒在液体中呈如下两种状态，试分别画 出它们的接触角，并指出何者润湿，何者不润湿？
球的切面
球的切面
不润湿
润湿
不润湿时，液体倾向把颗粒推出液面，而润 湿时，液体倾向把颗粒拉进液面。
在一泉水水面上，漂浮着若干硬币。但试图将一枚钢 针放在水面上，始终未能成功。若把钢针在头发中摩 擦若干遍，再轻轻地平放在水面上，情况又将如何?
开始钢针下沉是因为水能润湿钢针，而接触面又 这么小，虽然泉水有较大的界面张力，能承受硬币的 重量，但无法承受钢针的重量；在头发中沾了油脂以 后，使水不能润湿钢针，接触角大于90°。使针能短 时间浮在水面。
这跟鸭子能浮在水面而鸡不能的道理相仿。
例：液体在毛细管中呈如下两种状态，试分别画出 它们的接触角，并指出何者润湿，何者不润湿？
例：有一表面积为AS 的固体被某纯液体浸湿，试表 示出该过程的吉氏函数变化 G ，并用杨氏方程证 明，该固体一定能被液体所润湿。
解： 这是一个恒温、恒压和不做非体积功的过程
ΔG As l,s g,s 0
cos g,s l,s g,l
g,s l,s 0； cos 0即 90
气,液 气,固 液,固 2 气,液
Wa 气,液 气,固 液,固
Wc 2 气,液
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黏附功，它是液体能否润湿固体的一种量
度。黏附功越大，液体越能润湿固体，液-固结合得越牢。
气,液 气,固 液,固 2 气,液
毛细管
平板
1
是接触角
2
若h h,3 接触角 若h h,3 接触角
3.4 固液界面(润湿作用)
Wa G ( l s g l 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。
gh
0 lg 0 0
h cosq = 0 0 lg h
0 lg
通过测定h、h0可求得θ。使用此方法应注意粒子的
均匀性及装填情况。
（2）透过速度法 可润湿粉末的液体在粉末中上升可称为液体在毛 细管中的流动，其流动速度根据Poiseulle方程可得
接触角的测定
dh 2 r cos q dt 8 h r cos q 2 h t 2 dh 2 r cos q dt 2
s - g l -s cosq l -g
接触角(contact angle)
接触角的示意图：
接触角的测定
1、角度测量法 是一类应用最广、较方便简单、最直接的方法。其原理 是用量角器直接量出三相交界处流动界面与固体平面的夹 角。主要做法有投影法、摄影法、显微量角法、斜板法和 光点反射法。 （1）投影和摄影法 （2）显微量角法 用一安装有量角器和叉丝的低倍显微镜观察液面，直接 读出角度。 （3）斜板法 原理是将固体板插入液体中，当板面与液 面的夹角恰为接触角时，液面一直延伸至三相交界处而不 出现弯曲，此夹角即为接触角。
固体的润湿性质
可得一很好的直线，将直线外推至 COSθ=1处（θ=0）， 相应的表面张力将为此固体的润湿临界表面张力，称 为 γc 、 γc 表示液体同系列表面张力小于此值的液体方 可在该固体上自行铺展，即S=0，若为非同系列液体， 以COSθ对γgl 作图通常也显示线性关系，将直线外推 至COSθ=1处，亦可得γc。 γc是表征固体表面润湿性的经验参数，对某一固体而 言， γc 越小，说明能在此固体表面上铺展的液体便越少， 其可润湿状越差（即表面能较低）。 从实验测得各种低能表面的γc值，并总结出一些经验律：
从热力学角度解释润湿现象的本质
润湿现象是我们日常生活中经常会遇到的现象，润湿现象指的是一种物体表面上液体与固体相互作用的现象。
当液体接触到固体表面时，会出现液体在固体表面上展开的现象，这种现象被称为润湿。
润湿现象在生活中有着广泛的应用，如涂料的涂布、纸张的印刷、医用敷料的制备等等。
那么，从热力学角度来解释润湿现象的本质是什么呢？下面我们将从几个方面来解释这一问题。
1. 宏观观察润湿现象的本质可以从宏观角度来解释。
当一定液体滴落在固体表面上时，我们可以观察到液体会在固体表面上形成一个接触角，这个接触角可以帮助我们判断液体和固体的相互作用情况。
如果液体形成的接触角较小，例如水在玻璃表面上形成的接触角约为20°，则说明液体与固体之间有较好的相互作用，这种情况下液体可以很好地润湿固体表面。
而如果液体形成的接触角较大，例如水在蜡烛表面上形成的接触角约为120°，则说明液体与固体之间的相互作用较弱，这种情况下液体难以润湿固体表面。
2. 分子层面从分子层面来解释，润湿现象的本质是液体分子与固体表面分子之间的相互作用。
在润湿过程中，液体分子会受到固体表面分子的作用力，这种作用力可以分为两种类型：吸附作用和凝聚作用。
a. 吸附作用液体分子在接触固体表面时，会受到固体表面分子的吸引，这种吸引可以称为吸附作用。
吸附作用会使液体分子在固体表面上形成一层吸附层，从而使液体能够在固体表面上展开。
b. 凝聚作用液体分子之间的相互作用也会影响润湿现象。
在液体分子之间存在着凝聚作用，这种凝聚作用会使液体分子更倾向于聚集在一起。
当液体分子与固体表面分子发生相互作用时，凝聚作用会使液体分子更倾向于与固体表面分子相互作用，从而使液体能够在固体表面上展开。
3. 热力学角度从热力学角度来看，润湿现象的本质可以理解为固液界面的自由能。
润湿现象的发生需要考虑固液界面的能量变化情况，可以通过接触角和界面张力等参数来进一步解释这一问题。
当固液界面能量降低时，润湿现象就会发生。
【精选】9-3润湿作用及应用
固体浸润过程
s 浸湿：能被液体润湿的固体完全浸入液体之中，则
称为浸湿润湿，是气-固界面完全被液-固界面取代
的过程。
gas
G [ ( l / s ) ( g / s )]AS
当G<0时，浸润过程可以自发进行。
liquid
铺展过程
铺展润湿：少量液体在固体表面上自动展开，形成 一层薄膜的过程。它实际上是以液 -固界面取代气L-g界面可忽略 固界面，同时又增加气-液界面的过程。
( g / s) (l / s) cos (g / l)
(i) (g/s) > (l/s)时，cosө>0，ө<90°产生沾附润湿，
当ө = 0°为铺展润湿。
(ii) (g/s) < (l/s)时，cosө<0，ө>90°产生不润湿， 当ө =180°为完全不润湿。
润湿作用的应用
把易被水润湿的表面（如矸石表面）称为亲水表面，
把不易被水润湿的表面（如煤炭表面）称为疏水表面。
相应的矿物分别称为亲水性和疏水性矿物。
16
例：选择性吸附过程展示：气泡从疏水的煤的表面排 开水层并与其粘附；气泡不能从亲水的矸石的表面排开 水层实现粘附，仍保持球形。
17
矿物表面被水润湿的程度用接触角来评定
使它的亲水基团只吸在矿
砂的表面，憎水基朝向水。
二. 毛细管现象
毛细管现象 将毛细管插入液面后，会发生液面沿毛细管上升
(或下降)的现象，称为毛细管现象。
ΔP
h
h
(a)水在毛细管中上升
(b)水银在毛细管中下降
4. 毛细管现象
ΔP
产生这种现象的原因：毛细
h
管内的弯曲液面上存在附加压
液-固界面—润湿作用
S 称为铺展系数，若S ，说明液体可以在固 体表面自动铺展。
铺展过程
气 液
固
a
b
液体在固体表面上的铺展
接触角与润湿方程
在气、液、固三相交界点，气-液与气-固界
面张力之பைடு நூலகம்的夹角称为接触角，通常用q表示。
接触角与润湿方程
若接触角大于90°，说明液体不能润湿固体， 如汞在玻璃表面；
G l-s l-g s-g
Wa G l-s l-g s-g
Wa 称为粘湿功
粘湿功的绝对值愈大，液体愈容易粘湿固体， 界面粘得愈牢
什么是浸湿过程？ 在恒温恒压可逆情况下，将具有单位表面积的 固体浸入液体中，气－固界面转变为液－固界面的 过程称为浸湿过程 该过程的Gibbs自由能的变化值为：
G ls gs Wi
Wi 称为浸湿功，它是液体在固体表面上取代 气体能力的一种量度，有时也被用来表示对抗液体 表面收缩而产生的浸湿能力，故又称为粘附张力
Wi 0 液体能浸湿固体
固体浸湿过程示意图 固
g-s
气
固
液
l-s
铺展过程
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，这种过程称为铺展过程.
若接触角小于90°，液体能润湿固体，如水 在洁净的玻璃表面。
接触角的大小可以用实验测量，也可以用公 式计算
接触角与润湿方程
可以利用实验测定的接触角和气-液界面张力， 计算润湿过程的一些参数
能被液体所润湿的固体，称为亲液性的固体， 常见的液体是水，所以极性固体皆为亲水性固体。
不被液体所润湿者，称为憎液性的固体。非极 性固体大多为憎水性固体。
润湿原理的应用是什么
润湿原理的应用是什么1. 什么是润湿原理润湿原理是指液体在与固体接触时，能够在固体表面形成均匀的薄层，并能够迅速弥散开来的现象。
润湿性是液体与固体接触面上的力学和化学现象，与液体的表面张力、固体的表面能以及两者之间的亲疏水性有关。
2. 润湿原理的应用领域润湿原理在日常生活和工业领域有着广泛的应用。
下面列举了几个常见的应用领域。
2.1 制药领域在制药领域中，润湿原理被广泛应用于制药工艺中的液体与固体的接触过程。
液滴在药片表面的润湿作用可以促进药物的溶解，增加药效的吸收速度。
此外，润湿原理还可以应用于药品包装材料的表面润湿改性，以确保药物的稳定性和长期保存。
2.2 涂料工业在涂料工业中，润湿原理被用于改善涂料的涂布性能。
润湿剂被添加到涂料中，能够降低涂料表面的张力，使其均匀地涂布在固体表面上。
润湿剂还可以提高涂料与基材之间的粘附性，增强涂层的耐久性和抗腐蚀性。
2.3 石油工业在石油工业中，润湿原理被应用于油井的改造和增产。
通过表面活性剂的添加，能够改变岩石表面的润湿性，使其更容易与原油接触，并增加原油的产量。
此外，润湿原理还可以用于提高油品的燃烧效率和油品的稳定性。
2.4 化妆品领域在化妆品领域中，润湿原理被广泛应用于化妆品的配方和制造过程中。
润湿剂被用于改善化妆品与皮肤之间的润滑性，使其更容易涂抹和吸收。
此外，润湿剂还可以增加化妆品的保湿性能，增强其对皮肤的滋润效果。
2.5 燃料电池领域在燃料电池领域中，润湿原理起着非常重要的作用。
润湿剂被广泛用于燃料电池的电解质层和电极材料，以提高燃料电池的性能和效率。
润湿剂可以改善燃料电池组件的液态传质性能，提高燃料电池的工作稳定性和寿命。
3. 结论润湿原理是一种能够改变液体与固体之间接触性质的重要原理。
其应用在各个领域都有着广泛的应用，包括制药、涂料、石油、化妆品和燃料电池等。
通过理解润湿原理并合理应用，可以改善产品的性能和品质，提高生产效率和用户体验。
总结起来，润湿原理的应用是多样且广泛的。
液-固及液-气(空气)界面现象
7.4 液-固及液-气（空气）界面现象7.4.1润湿现象7.4.1.1 接触角液体对固体表面的润湿作用是界面现象的一个重要方面，它主要研究液体对固体表面的亲合状况。
例如水能润湿玻璃，但不能润石蜡。
荷叶上的水珠可以自由滚动，说明水不能润湿荷叶。
一般来说，若液体能润湿固体，则液体呈凸透镜状；若不能润湿，则呈椭球状，如图。
液体对固体的润湿的程度可用接触角来衡量。
所谓接触角就是固-液界面经液相到气-液界面所转过的角度。
接触角越小，润湿越好。
一般以θ=90°为分界线。
θ＜90°，为能润湿；θ=0°为完全润湿。
θ＞90°，为不润湿；θ=180°，为完全不润湿。
现在我们导出接触角与界面张力之间的关系。
点O 的液体受到三个表面张力的作用：s g -σ力图将点O 的液体拉向左方，以覆盖气-固界面，使气-固界面缩小；s l -σ力图将点O 的液体向右拉，以缩小液-固界面；l g -σ力图将点O 的液体沿切线方向向上拉，以缩小液-气界面。
在固体为光滑平面的情况下，润湿平衡时，有s g -σ=s l -σ+l g -σθcos或（1）式（1）就是表示界面张力和接触角关系的杨氏（Yong ）方程。
因θcos ≤1，所以lg sl s g ----σσσ≤1 或s l s g ---σσ ≤l g -σ或（2）所以由下面的公式和图形可得上图。
lg sl s g ----=σσσθcos所以完全润湿的条件为s l s g ---σσ＞l g -σ即（3）完全不润湿的条件为s l s g ---σσ＜-l g -σ即（4）7.4.1.2 粘附功、内聚功、浸湿功和铺展系数恒温恒压可逆条件下，将气-液和气-固界面转变为液-固界面，如果各界面都是单位面积时，该过程吉布斯自由能的变化是G ∆=l g s g s l -----σσσ= W a （5）W a 叫粘附功（work of adhesion ）。
润湿作用PPT课件
6.5.2非离子型
1.聚氧乙烯烷基酚醚
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2.聚氧乙烯脂肪仲醇醚
直链仲醇的EO加成物是目前各国应用较广泛的 一大类非离子型润湿剂和渗透剂，也是软型洗净 剂的新资源。
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6.6润湿剂的应用
6.6.1超细无机粉体的水中分散研究 1.分散过程
1）润湿 在无机粉体水浆料中加入润湿剂，降低固/液
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 示了低能表面的性质第2，3页这/共64说页 明决定固体润湿性质
6.3.2 高能表面上的自憎现象
自憎:有些有机分子在高能表面上发生吸附，形成 碳氢基朝向空气的定向排列吸附使液膜原来的高 能表面变成了低能表面，润湿临界表面张力低于 液体本身的表面张力，不能在它自身的吸附膜上 铺展。
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2.浓度 ➢ 在低于表面活性剂的cmc情况下，润湿时间的对数与浓度的对数呈线性关系。浓度
提高，润湿性能好，当浓度高于cmc时，不再呈线性关系． ➢ 作为润湿剂使用的表面活性剂浓度不宜过高，一般略高于cmc即可。
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3.分子结构
1）疏水基 直链烷基表面活性剂：
➢直 链 碳 原 子 数 在 8 ～ 1 2 时 表 现 出 最 佳 的 润 湿 性 能 ， ➢碳原子数为12～16时具有较好的胶体性能，仅润湿性能
6.1接触角与杨氏方程
6.1.1接触角
完全润湿：将液体滴在固体表面上，此液体在固体表 面可铺展形成一薄层。
部分润湿：将液体滴在固体表面上，此液体在固体表 面以一小液滴的形式停留于固体表面。
第二章 液体在固体表面的润湿作用20158
②铺展过程体系中自由能变化 （铺展系数S）
体系只有一个表面，恒 T 、恒p 时，铺展表面为一个单位面积，体系吉布斯自由 能的降低或对外所作的功 S ，其推导如前：
△G=-S △G=γl-g +γs-l-γs-g
S=γs-g-γs-l-γl-g
由上式可知，当S≥0 时，液体可以自发在固体表面上铺展
4.润湿作用总结
④粘附功讨论
Wa = （γl-g+ γs-g）- γs-l
γl-g越大，γ s-l越小，则Wa越大，越有利于液体沾湿固体。 若Wa≥0，ΔG 必为负值， 沾湿过程将自发进行。通常情况下 s-l界面的自由能总小于s-g和l-g界面自由能，因 而黏附功总大于零，沾湿过程总是能够自发进行的。
Wa≥0可以作为液体沾湿固体判定条件
③当γc很小时，表现出憎水憎油的双憎性。利用这一特点生产成的材 料有非常大的价值。
如不沾锅的涂层；采油输油管线的内管涂层，均采用 γc很小的高分子 材料。目的是使其具有双憎性。
1.接触角测定—角度测量法
①观察测量法（通过 显微镜观察或摄影做 切线后测量其角度）
作切线再测量，但切线不容易作准！
②斜板法
由此可以有如下规律(rule)
①气体对固体的“润湿性”与液体对固体的润湿性恰好相反； ②固体越憎液，就越容易被气体“润湿” ，越容易附着在气泡上； ③固体越是亲液，就越容易被液体润湿，越难附着在气泡上。
从Young 方程
cos θ ? γs-g - γs-l γl - g
γs-g越大表示固体表面能越高，使 cosθ越大， 从而θ越小。按照判据可知越容易被液体润 湿。
油
水
油
注入活性水
岩石表面
表面活性剂使地层润湿反转
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界面现 象角度 定 义 热力学 角 度
界面上的一种流体被另一种与之不相混溶 流体取代的过程。即固体表面上所吸附气 体被液体取代的现象。
1.润湿
的定义 及分类
固体与液体接触以后，体系的ΔG下降， 则称固体被液体润湿。ΔG可以作为润湿 的判断依据
沾湿
浸湿 铺展
分类
2.沾湿
①沾湿示意图
②体系的ΔG
l-g界面 G1=γl-gA1 A1
1.接触角（θ）定义
g l s
定义
接触角指液体滴在固体表面上，在平衡液滴的s-l-g三相交界点 处作g-l界面的切线，此切线与固液交界线之间的夹角，用θ 表示。
2.润湿方程—Young方程
①润湿方程的推导
如图所示：根据表面自由能或表 面张力的性质，可以用力学平衡原 理得到平衡接触角θ与s-g 、s-l、 l-g 界面自由能γs-g 、γs-l、γl-g之间有如 下关系。
Wi≥0是液体浸湿固体判定条件。
黏附张力A：表示液体表面收缩而产生的浸湿能力。Wi= A=γs-g- γs-l
3.铺展
①铺展过程示意图
g s
L
铺展是l-s界面取代g-s的同
时，g-l也扩大了同样面积。
即当液体与固体表面接触 后，液体自动在固体表面 展开，排挤掉原有的另一 种流体，铺展过程中g-s界 面消失的面积与l-s界面增 加的面积相等，同时形成 等量的g-l界面。缝水驱油过程 选
矿 过 程
水润湿砂岩
施药
油润湿砂岩
洗涤过程
①实验现象 ②农业、植被应用 ③工业应用
共同点
液体在固体表面产生的一
种现象→特殊的界面现象
重要性
润湿现象是普遍而重要的。 没有润湿作用，人类难以生存和发展。
什么是润湿？怎样判断？液体与固体界面接触后会显 示什么样的物理化学特征？怎样应用润湿相关知识进行分 析、解决实际问题?怎样改变固体界面的润湿特性？
界面变化前 G?
A2
A3
界面变化后 G? s-g界面 G2=γs-gA2 s-l界面 G3=γs-l A3
沾湿过程体系ΔG
ΔG=G3-（G1+G2） = γs-l A3-（γl-gA1+γs-gA2 ）
若体系中界面为一个单位 面积，在恒T、恒p下：
③粘附功（Wa）
在沾湿过程中，恒T、恒p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。即体系的ΔG发生了变化，变化的
γl-g数据可以通过实验测定，而γs-g和 γs-l则
S=γs-g- γl-g- γs-l
难以测定，因此Wa 、 Wi 、 S无法准确计算
多数情况下，将一液体置于固体表面上，液体不会完全展开而是与固体 表面成一角度θ ，如图所示。
θ角怎样定义？与表面张力γ有何关系？与润湿的三种情况有何关系？怎样 运用θ进行润湿情况判断？
能量用来对外做功，称之为粘附功。是液体能否沾湿固体的一种量
度。粘附功越大，液体越能沾湿固体，液-固结合越牢。
ΔG= Wa
Wa = （γl-g+ γs-g）- γs-l
④粘附功讨论
Wa = （γl-g+ γs-g）- γs-l
γl-g越大，γs-l越小，则Wa越大，越有利于液体沾湿固体。若Wa≥0，ΔG必为负值，
1.重点
基本概念—润湿作用、沾湿、浸湿、铺展、接触角等。 基本理论—不同润湿程度能量的变化情况；润湿方程及其应用；
润湿程度的定性、定量判据。
润湿作用应用—应用润湿作用分析、解决各行业中的实际问题。
2.难点
对基本概念的理解（图示法进行理解）。 把基本理论应用于分析、解决实际问题。
实验现象
前
沾湿过程将自发进行。通常情况下s-l界面的自由能总小于s-g和l-g界面自由能，因 而黏附功总大于零，沾湿过程总是能够自发进行的。
Wa≥0可以作为液体沾湿固体判定条件
若界面为两个相同l-g界面，转变为一个液体柱，此时，变化后的界面不存在 （ γs-l=0），但同样存在能量的变化——称之为内聚功（ WC ）
由Wa = （γl-g+ γs-g）- γs-l
推 导
WC= 2γl-g
2. 浸湿
①浸湿过程示意图
浸湿将s-g界面转 变为s-l界面的过
程。而液体表面在
此过程中没有变化。
②浸湿过程体系中ΔG
定义可知 G2=G4
恒T、恒p下，设浸湿面积为一个单位表面积。 变化前：s-g界面 变化后： s-l界面 G1=γs-g； l-g界面 G2=γl-g； G3=γs-l ； l-g界面 G4=γl-g；
②铺展过程体系中自由能变化 （铺展系数S）
体系只有一个表面，恒T、恒p时，铺展表面为一个单位面积，体系吉布斯自由 能的降低或对外所作的功S，其推导如前：
△G=-S
S=γs-g-γs-l-γl-g
△G=γl-g +γs-l-γs-g
由上式可知，当S≥0时，液体可以自发在固体表面上铺展
4.润湿作用总结
Wa =（γl-g+ γs-g）- γs-l
结论：
①由黏附功、浸湿功和铺展系数表达式
分析可知对于同一体系， Wa ＞ Wi ＞ S；
因此若S≥0，则一定有Wa ＞0， Wi ＞0，
说明铺展是湿润的最高条件。即液体在固
A=Wi =γs-g- γs-l
体表面铺展，也一定能沾湿固体和浸湿固
体表面。 ②利用黏附功、浸湿功和铺展系数可以 判断液体在固体表面是否润湿，其中只有
变化前后的ΔG=(G3+G4) -（G1+G2）= γs-l - γs-g
ΔG= γs-l —γs-g
③浸湿功Wi
W i = -Δ G
Wi = γs-g- γs-l
④浸湿功Wi讨论
Wi = γs-g- γs-l
γs-g越大，γs-l越小，则Wi越大，越有利于浸湿进行。若Wi≥0，ΔG≤0，浸湿过程可 自发进行。大多数无机固体和金属的γs-g比γs-l大,因此浸湿过程常可以自发进行。
g l s
Young方程与Wa、Wi、
S的表达式结合起来，就
γs-g= γs-l+γl-g cosθ
Young方程
得到如下的等式：
Wa =γl-g（1+cosθ ）
Wi =γl-g cosθ
②θ与黏附功、浸 湿功和铺展系数的 关系
S=γl-g（cosθ-1）
（1）润湿的三种能量变化物理量只与γl-g和θ有关，而与其它界面能 没有关系，γl-g易于测定,θ也可以通过仪器测定，因此，Wa 、 Wi 、 S是可以进行准确计算，从而判断其变化趋势，以此准确判断能否 润湿及润湿情况。