第二章 液体在固体表面的润湿作用2015.8
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。
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。
请叙述润湿的原理
请叙述润湿的原理润湿是指在两种不同状态的物质接触面上，液体在固体表面上均匀分布形成的情况。
具体而言，润湿是液体在固体表面上产生的一种现象，液体在这种情况下倾向于展开并保持与固体表面直接接触的状态，而不是形成球状。
润湿现象是由一系列的物理和化学因素共同作用形成的，涉及表面张力、表面能、接触角等多个因素。
润湿的原理可以从两个方面来解释：表面张力和界面能。
首先，表面张力是润湿现象的主要原理之一。
液体分子有一种相互间吸引的力，称为相互吸引力。
在液体的内部，所有的液体分子都受到周围分子的吸引力。
然而，在液体表面，分子只能被同侧和对面的液体分子吸引，而不能被周围的气体或固体分子吸引。
因此，液体表面的分子之间会形成一个类似于薄膜的结构，这种现象称为表面张力。
当液体接触到一个固体表面时，如果液体分子与固体表面的相互吸引力比内部分子之间的吸引力强，液体会在固体表面上均匀分布，形成润湿。
其次，润湿还与固体表面的界面能有关。
固体表面的界面能是指单位面积上液体分子在与固体接触时要克服的能量。
在液体接触到固体表面时，如果液体分子要克服的界面能小于它们自身的内部吸引力，液体就会在固体表面上润湿。
当液体分子能够克服固体表面的界面能时，它们与固体表面更稳定地接触，这种情况下接触角会较小。
相反，如果液体分子要克服的界面能大于内部吸引力，液体就无法润湿固体表面，形成一个水滴或球状体，接触角较大。
还可以从接触角的角度来解释润湿现象。
接触角是由液滴与固体表面之间形成的一个界面，它与固体表面的界面能有关。
接触角越小表示固体表面越容易被液体湿润，液体分子在固体表面上均匀分布的可能性就越大。
相反，接触角越大表示固体表面越不容易被液体湿润，液体形成球状的可能性就越大。
综上所述，润湿是由表面张力和界面能共同作用形成的。
液体在和固体表面接触时，如果液体分子的吸引力和克服固体表面界面能的能力均较强，液体就会在固体表面上润湿。
润湿现象在自然界和生活中起着重要的作用，例如润湿现象在染料、薄膜涂层、液滴形状控制等领域有着广泛的应用。
液体对固体的润湿作用
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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。
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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19
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。
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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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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。
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。
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)
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：
润湿
在解决实际的润湿问题时，应首先分清它是哪一类型，
过程，从整个过程看，它是一浸湿过程。但实际上它
却经历了三个过程：（a）到（b）为沾湿，（b）到
（c）为浸湿，（c）到（d）为铺展。
目录
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退出
V
铺 浸 沾 展 湿
S
L
S
图4.11 固体进入液体过程
目录 上页 下页 退出
三、非理想固体表面上的接触角
目录 上页 下页 退出
7、真空中Al2O3 的表面张力约为900尔格/厘米2，液态铁
的表面张力为1720尔格/厘米2，同样条件下，界面张力
（液态铁－氧化铝）约为2300尔格/厘米2，问接触角有 多大？液态铁能否润湿氧化铝？
8、表面张力为500尔格/厘米2的某液态硅酸盐与某种多
晶氧化物表面相接触，接触角θ＝450，若与此氧化物相 混合，则在三晶粒交界处，形成液态小球，二面角ψ平 均为900，假如没有液态硅酸盐时，氧化物－氧化物界 面的界面张力为1000达因/厘米，试计算氧化物的表面 张力？
受三个界由面张力的作用来处理。当三个作用力达到平衡时，
应有下面关系
cos
LV SV SL
SV
SL
LV
cos
SV
或
F
LV
C O S
SL
F 润湿张力
这就是著名的Young方程。式中γSV和γLV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）。
目录 图4.12
上页 下页 表面粗糙度的影响 退 出
因此：
（1）θ＜90°时，θn＜θ，即在润湿的前提下，表面粗糙化 后θn变小，更易为液体所润湿。 （2）θ＞90°时，θn ＞θ，即在不润湿的前提下，表面粗糙 化后θn变大，更不易为液体所润湿。 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
润湿功能课件
03
在涉及生物医学等应用领域时，润湿功能材料的安全性和生物兼容性是需要重点考虑的问题。应确保材料对人体和环境无害，同时不引起免疫反应和炎症反应等。
润湿功能研究展望
06
研究表面能与润湿性的关系，探索润湿性改变的机制和规律。
表面能与润湿性关系
分析分子间作用力对润湿性的影响，探讨润湿性变化的分子机制。
润湿功能的应用实例
04
在工业生产中的应用
润湿功能在工业生产中有着广泛的应用，如
涂层工艺：通过润湿和渗透作用，使涂料更好地附着在基材表面，提高涂层的附着力和耐久性。
化学反应：润湿剂可以促进反应物之间的接触和溶解，加速化学反应的进行。
金属加工：润湿剂可以降低工件与切削液之间的摩擦系数，提高加工精度和效率。
表面官能团
粘度
粘度高的液体不容易润湿固体表面。例如，水比油更容易润湿玻璃。
表面张力
表面张力越低的液体越容易润湿固体表面。例如，水的表面张力较低，因此对玻璃的润湿性较好。
电导率
某些液体的电导率会影响其润湿性。例如，含有离子导电物质的液体在导电性方面与固体表面存在相互作用，从而影响润湿性。
液体物理性质
在生物医学中的应用
润湿功能在生物医学领域的应用也越来越重要，如
组织工程：利用润湿剂作为生物相容性材料，构建人工组织和器官，为医学治疗提供新的途径。
药物输送：通过润湿剂改善药物的溶解度和渗透性，提高药物的疗效和降低副作用。
口腔护理：润湿剂在牙膏和漱口水中起到舒缓、消炎、清洁的作用，保护口腔健康。
在环境科学中的应用
分子间作用力与润湿性
研究表面活性剂的作用机理，揭示其对润湿功能的影响和作用方式。
表面活性剂作用机理
润湿剂的应用原理
润湿剂的应用原理润湿剂的定义润湿剂是一种化学物质，可以降低固体表面和液体之间的界面张力，从而促进液体在固体表面上的扩展和覆盖。
润湿剂在工业生产和日常生活中被广泛应用，用于改善液体在固体表面的传播性能。
润湿剂的作用原理润湿剂起到降低表面张力的作用，使液体能够更好地附着在固体表面上。
其主要作用原理如下：1.界面张力的降低：润湿剂能够与液体形成一种称为“降张剂”的界面活性剂，通过降低液体和固体之间的界面张力，促进液体在固体表面的扩展，使液体更容易润湿固体表面。
润湿剂分子在固体表面吸附，形成一层薄膜，从而改变液体的表面性质。
2.表面能的改变：润湿剂可以改变固体表面的化学性质，降低表面能，使固体表面更易被液体湿润。
润湿剂分子与固体表面发生化学反应或吸附作用，改变固体表面的能量状况，使液体能够快速扩展并覆盖固体表面。
3.表面活性物质的存在：润湿剂中常含有表面活性物质，如界面活性剂，它们在液体和固体之间起到连接剂的作用，降低液体和固体之间的表面张力，增强液体在固体表面的附着能力。
润湿剂的应用领域润湿剂在实际应用中广泛用于各个行业，以下是润湿剂的一些主要应用领域：1.涂料工业：润湿剂能够降低涂料表面的界面张力，使其更好地附着在涂料基材上，提高涂料的均匀性和光泽度。
2.印刷工业：润湿剂能够在印刷过程中改善油墨在印刷纸张上的附着性，提高印刷品的质量和印刷速度。
3.纺织工业：润湿剂能够改善纤维材料与染料溶液的接触性，促进染料分子在纤维材料上的扩散，提高染色效果。
4.化妆品及个人护理品：润湿剂能够改善化妆品和个人护理品与皮肤的接触性，使其更好地被皮肤吸收和渗透，提高产品的效果。
5.农业领域：润湿剂可以提高农药在植物表面的附着性，增加农药的有效利用率，减少农药的使用量。
6.电子工业：润湿剂可以用于半导体材料、电子元件表面的清洁和涂层，提高电子元件的可靠性和性能。
以上只是润湿剂应用的一部分领域，润湿剂还在其他许多工业和日常生活中发挥着重要作用。
第二章 液体在固体表面的润湿作用2015.8
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。
cosθ
γ s - g - γs -l γl - g
从而可以分析
看出，表面能高
的固体表面更加 容易被液体所润
高能固体表面
低能固体表面
湿。
指γ>100mN/m的物质。如金属 及其氧化物，硫化物、无机盐等。
指部分液体即 使其表面能远 低于固体表面 也不能润湿固 体表面的现象。
g s
自憎
定 义
取决于表面外层原 子团性质和排列。 决定因素 润湿性：碳氟<碳氢 化合物<含杂原子有 机物<金属等无机物。
ρgh sin θ 1 2γ1
2
吊片法接触角。要求吊片能被液体很好 地润湿。测定时把试样固体做成吊片，插入 待测液中，这时作用于固体吊片的液体表面 张力(总力)为
P γ1 cosθ L
A P/L
3.接触角测定—重量测定法 式中，P为吊片所 受之力，L为吊片周长， γ1为液体表面张力，又 γ1cosθ为粘附张力
烈吸附作用的基团结构（亲水基团），而使其相互作 用；缓蚀剂的另一部分基团结构（疏水基团）则伸向
钻井液中，起到阻止液体与管线接触的机会 ，使得管
线与腐蚀介质隔绝而起到防腐作用。
新界面膜
5.表面活性剂润湿反转机理
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
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
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 ）。
第2章液体在固体表面的润湿
二、浸湿 是将气－固界面转变为液－固界面的过程，而液体 表面在这个过程中没有变化。在恒温恒压下，设润 湿面积为一个单位面积，此时，体系吉布斯自由能 降低或对外做功分别为：
∆G = γ s −l − γ s − g
Wi = γ s − g − γ s −l
Wi≥0是液体浸湿固体的条件。它的大小可以 作为液体在固体表面取气体能力的量度。 在润湿作用中，也用它来表示对抗液体表 面收缩的浸湿能力，所以又称为粘附张力， 用A表示。
三、铺展 是表示当液－固界面取代气－固界面的同时，气－ 液界面也扩大了同样的面积。 在恒温恒压下当铺展面积为1个单位时，体系吉布 斯自由能的降低或对外所做的功分别用下式表示：
S = γ s − g − γ s −l − γ 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。
2、斜坡法：当固体板插入液体时，在三相交
界处总是有保持一定角度的接触角。但是 只有当固体板面与液面所夹的角度和接触 角相等时，液面才会一直平伸到三相交界 处，如上图所示，这时液面没有出现弯曲 不平 。 特点：没有必要作切线，但用液量最大
3、反射光法：用强的细缝光源，照射在三相交界 处，并转动其入射光方向，当反射光刚好沿着固 体表面进行时，观察者可以见到反射光。因此可 以根据入射光与反射光的交角2 φ计算接触角。 θ 特点：此方法只适合于 < 90 0 的情况。
S = γ l − g (cos θ=l − γ 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。 γ s − g − γ s −l cos θ = 从润湿方程
润湿作用PPT课件
6.5.2非离子型
1.聚氧乙烯烷基酚醚
第47页/共64页
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。
第48页/共64页
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。
第27页/共64页
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。
第28页/共64页
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。
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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。
固体板面与液面夹 角和接触角相等
不需要作切 线，但需要 液体量大
③光反射法
2
适用于 θ=<90°
细缝强光照射三相交界处，并转动入射 方向，使其反射光刚好沿固体表面出射。
2.接触角测定—长度测量法
在水平的固体表面上放一滴被测液体，其高度为h，底宽 为2r，如图所示，当液滴很小时(<10-10m3) 可近似视为球的 一部分，如下关系。
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
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
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
①高分子固体的润湿性质与其分子的元素组成有关。在碳氢链中加入其 它杂原子，高聚物的润湿性能明显改变。氟原子的加入使润湿性降低，γc 变小；而其它原子的加入则使之升高，它们增进润湿性的能力有如下次序
F H Cl Br I O N
②附有表面活性物质分子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层原子或原子团的性质及排列分部，而与内部 结构无关。
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；
此法不仅可以测定接触角θ， 而且可以直接测定粘附张力
表面粗糙 度的影响
滞后现象
影响接触角测定的因素
表面污染、 表面粗糙等
液固移动时 阻力的影响
The application about wetting
润湿在采油中应用
润湿作用在防水
材料中的应用润湿作用染色来自理见书P 见书 P25 25
1.润湿在驱油中应用
4. 气体在固体表面润湿规律
液体与固体的接触角可以 看成为液体和空气对固体表面 的竞争结果。
用滴管将气体送入浸在液体中的固体表面下面，其结果如图所示。若固体是亲液的，
则液体的接触角θ ＜ 900；当然也可以将其补角θ‵作为气泡的接触角，此时θ‵ ＞ 900 。 若固体是憎液的θ ＞ 900，气泡接触角θ‵＜ 900 。
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
水中有机物气浮去除原理
4.润湿在钢铁防腐中的应用
润湿反转效应
如图所示：在作业过程中井筒/管线液体循环过
程，没有加入缓蚀剂之前，由于液体中存在水、氧等
腐蚀介质，在与管线接触过程中，会对管线造成严重 腐蚀而出现作业安全隐患。
如图所示：当在作业中加入缓蚀剂后，由于缓蚀
剂（表面活性剂—双亲分子）有能与金属表面形成强
1.高能表面与自憎
原 因
原因：由于有机液体被吸附到高能表 面固体上，形成一种碳氢基朝向空气 的定向排列的吸附膜，从而使原来高
能表面变低能表面，其临界表面张力
低能固体表面：指固体 γ<100mN/m的物质。如固 体有机物及高聚物表面。
低于液体的表面张力，以至这种液体 在其自身吸附膜上不能铺展。
2.固体表面的临界表面张力分析规律
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
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。
（2）利用接触角θ也可以判断润湿情况。
3.液体在固体表面润湿判据
流体在固体表面上的接 触角在0°~180°范围 Wa =γl-g（1+cosθ）≥0
θ ≤1800
浸湿
Wi
=γl-g cosθ ≥0
θ ≤900
θ 判 据
S=γl-g（cosθ-1） ≥0
在实际过程中，通常将θ作为判据，
θ =00
θ＞900为不润湿，θ ＜ 900为润湿， θ=00或不存在，铺展。 θ越小，润湿性能越好。
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。
润湿定义？
是l-g界面与s-g界面转变为s-l界面的过程。也即固体接触的
沾湿
气体被液体所取代的过程。由此可以知道在此过程中s-l 、s-g 界面与其后形成的 s-l界面大小是相等的。
润湿 三种 情况 定义 及能 量变 化式
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。
在水湿砂岩中水驱油
在油湿砂岩中水驱油
2.（矿物泡沫浮选）气液对固体的不同润湿性广泛用于冶炼、选矿中，有利
于有用矿石和无用的矿渣分开 （1）矿石表面能否被水润湿？
（2）加入收捕剂作用是什么？
（3）向水中充气形成起泡作用是什么？ （4）为什么矿物会漂浮在表面？
3.在水处理气浮中的应用
充气 固体悬浮颗粒的气浮去除原理
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，
烈吸附作用的基团结构（亲水基团），而使其相互作 用；缓蚀剂的另一部分基团结构（疏水基团）则伸向
钻井液中，起到阻止液体与管线接触的机会 ，使得管
线与腐蚀介质隔绝而起到防腐作用。
新界面膜
5.表面活性剂润湿反转机理
在 原 油中 的 天 然表面活性剂 注入水中表 面活性剂
油 水 油 注入活性水
岩石表面
表面活性剂使地层润湿反转
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。