第6章 润湿作用2

① 当0≤θ<900时Δp>0即渗透过程可自发进行。 ② 从表面看起来γLV越大，θ越小，孔半径越 小，此过程就越易进行。
6.2.3铺展
1.液体在固体表面的铺展
该过程的实质是以固-液界面取代固-气界面，与此同 时，液体表面展开，形成新的气-液界面。
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：
A LV cos
0< <900时A>0
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。
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。
2.多孔固体表面的浸湿-渗透
附加压力
p
2 LVCOS r
／棉纺织物的丝光加工。
2)壬基酚聚氧乙烯(12)醚磷酸单酯
具有良好的润湿，渗透，净洗，分散性。适用于 农药、纺织、皮革、造纸工业，作润湿渗透，乳化分 散剂。
5脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸盐（AES）
R-(OCH2CH2)nOSO3Na
C12～C18,n=2～4
阴离子表面活性剂中，常用作润湿渗透剂的有琥
3.矿物泡沫浮选的原理
捕集剂粘附于矿石表面的机理
一类是矿石颗粒表面和捕集剂离子间有某种键合作用。
例如，浮选硫化矿石所用的黄原酸盐和浮选钙盐矿石 或赤铁矿石等所用的油酸； 一类是捕集剂离子与矿石颗粒表面具有相反电荷时，依 靠静电的相互作用而使捕集剂吸附在 矿石表面上。 例如，浮选氧化矿和硅酸盐矿所用的胺类或烷基硫酸 盐等。
③亲油基链上最好带有多个亲水基；
④亲水基与溶剂地作用不宜太强。
润湿剂的分子结构特点
碳氢链为较短的直链，亲水基 位于末端如图6-11(a)
疏水链应具有侧链的分子结构， 且亲水基应位 于中部如图6-11(b)
6.5.1阴离子型
1脂肪醇硫酸盐，通式为R-OSO3M。
C12～18,M=Na,NH4
其中以月桂醇硫酸钠应用最广。
0
1800
S SV SL LV LV (cos 1), 0
0
同一体系，W a >Wi>S。
Baidu Nhomakorabea
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
6.6.4织物防水防油
1.织物的防水
图6-15 接触角对织物防水性的影响
织物防水原理：
θ>900
Δp<0为负值，与液体渗透的方向相反起阻止
液体的渗透。 θ<900 Δp>0与液体渗透方向同向，有拉动液体渗透
的作用。
二甲基二氯硅烷能与氧化硅或玻璃表面的一OH基反应，放出HCl， 而得到由甲基组成的耐水很强的防水新表面。
表6-1列出的是若干种液体在水面上的铺展系数【5】 SO/W 液体
异戊醇
正辛醇 庚醇
44.0
35.7 32.2
油酸
苯 硝基苯 己烷
24.6
9.3 3.8 3.4
邻溴甲苯
二硫化碳 二碘甲烷
-3.3
-8.2 -26.5
1）不论何种润湿，均是界面现象，其过程的实质都是
界面性质及界面能的变化。
2）三种润湿过程自发的条件： 沾湿： Wa SV LV SL LV (cos 1) 0 浸湿： Wi SV SL LV cos 0, 90 铺展：
若在固、液、气三相交界处，作气-液界面的切 线，自此切线经过液体内部到达固-液交界线之间 的夹角，被称之为接触角(contactangle)，以θ 表示之。
θ<900固体是亲液固体。 θ>900固体是疏液的。
6.1.2杨氏方程
LV cos SV SL
6.2润湿类型
6.2.1沾湿
下，被称为低能表面。<100mJ.m-2
6.3.1低能表面的润湿性质
图6-9 Zisman图与
c
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 了低能表面的性质，这说明决定固体润湿性质的 是表面后原子或原子团的性质及排列情况，与内 部结构无关。
酐共聚物、缩合萘磺酸盐、非离子型水溶性高分子 (聚乙烯吡咯酮、聚醚衍生物)等。
6.6.3矿物的泡沫浮选
1.固体颗粒浮游的条件
2.浮选剂
浮选剂是由捕集剂、起泡剂、调节剂三类化学药 剂按需要适当地配制的。 1）捕集剂 将亲水的矿物表面变为疏水的表面。 黄药是目前应用最广泛的硫化矿捕集剂．其通式为
2）起泡剂
非离子聚氧乙烯类表面活性剂的EO数：
R一般以C7～C11的润极性最好，C12以上润湿性
下降。
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。
①同系物中，润湿性随碳链增加而增加都有一个最高值。
②具有支链烷基的较直链烷基的润湿性好。 ③离子子型表面活性剂中亲水基在分子链中央者，润湿性最 高，越向分子链末端靠近，其润混性越差。 ④引入第二个亲水基后，润湿性将降低，酯化或酰胺化后将
体表面上，并且在外力作用下加大裂缝或分裂成碎块。
3）稳定
表面活性剂吸附在颗粒表面上形成δ厚度吸附层，当 吸附层有适当的Hamaker常数值，可降低VA，增加
分散体系的稳定。
2.分散剂的应用
无机类有聚磷酸盐(焦磷酸钠、磷酸三钠、磷酸四钠、 六偏磷酸钠)、硅酸盐(偏硅酸钠、二硅酸钠)。
高分子类:聚羧酸盐、聚丙烯酸衍生物、顺丁烯二酸
不锈钢
辛醇－1 辛醇－2 2－乙基己 醇－1 正辛酸 2－乙基己 烷 磷酸三邻甲 酚酯 磷酸三邻氯 苯酯 27.8 26.7 26.7 29.2 27.8 40.9 45.8 35 14 《5 34 《5 － －
铂
42 29 20 42 11 7 7
石英
42 30 26 32 7 14 19
α －Al2O3
主要的起泡剂有：
松油、粗甲氧基甲基苯酚、异丁基甲氧苄醇、聚乙
二醇类、三乙氧基丁烷，烷基苯磺酸钠、二聚乙二
醇甲基叔丁基醚及三聚丙二醇甲醚等。
3）调整剂
调节剂常常是一些控制pH和能螯合多价金属阳离子
的化合物。
pH不仅影响捕集剂的有效性，而且还影响到矿物
颗粒的荷电性。
氨水石灰、CN-及HS-离子也通常用作调节剂。
其中硅化合物和氟化合物效果更好，是良好的
防水、抗粘材料，全氟材料更有防油的效用。
6.4.2提高液体的润湿能力
其实质是降低液体的表面张力，以小于固体表面的临界
表面张力即使之发生铺展所需的表面活性剂的最低浓度， 所需浓度愈低，降低水表面张力的能力愈强，润湿作用 也愈强。
6.5润湿剂
①亲油基链不宜太长，且带有支链； ②亲水链在亲油链地中间；
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。
第六章 润湿作用
润湿定义： 从固体表面或固-液界面上的一种流体被另一种液
体置换的过程。
主要内容 6.1接触角与杨氏方程 6.2润湿类型 6.3固体表面的润湿性 6.4表面活性剂的润湿作用 6.5润湿剂 6.6润湿剂的应用
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。
沾湿过程就是当液体与固体接触后，将液-气和固气界面变为固-液界面的过程。
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
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。
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8～12时表现出最佳的润湿性能，
获改善。
⑤非离子型聚氧乙烯类表面活性剂中，润湿性也随氧乙烯数 之增加而增加但也有一个极限值。 ⑥HLB值低适用于乳化剂，而HLB值高则适用于洗涤剂。
6.4表面活性剂的润湿作用
6.4.1改变固体表面 的润湿性质
图6-10表面活性剂分子在高能表面的吸附
常见的表面活性剂： 重金属皂类、高级脂肪酸、有机胺盐、有机硅 化合物、氟表面活性剂等。
2.磺酸盐
最著名的是琥珀酸二辛酯磺酸钠（OT）
C2H5 C4H9 C4H9 CHCH2OOCCH2 CHCH2OOCCH C2H5 SO3Na
3.羧酸皂类
N—月桂酰—L—缬氨酸钠
松香酸
4.磷酸酯
1)乙二醇单丁醚磷酸酯钠盐(丝光渗透剂)
棕色或淡黄色液体，易溶于水及乙醇，在10％以
上的浓碱中有优良的渗透性，用于棉纺织物及涤
式中，WC-内聚功。
WC代表液体自身结合的牢固程度，是液体分子间相互
作用力大小的表征。
6.2.2浸湿
浸湿是指固体浸入液体中的过程。
自由能降低值为：
G SV SL Wi A
Wi－浸湿功，反映了液体在固体表面上取代气体的能
力，Wi>0，是在恒温恒压下，浸湿自动发生的条件。
珀酸二辛酯磺酸钠（OT），十二烷基苯磺酸钠， 月桂醇聚氧乙烯醚硫酸盐等。尤其OT的润湿渗透 性在阴离子表面活性剂中最好。
6.5.2非离子型
1.聚氧乙烯烷基酚醚
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。
6.6润湿剂的应用
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。
碳原子数为12～16时具有较好的胶体性能，仅润湿性能下降。
HLB值在7～15范围内其润湿性能最好。
带有支链的烷基苯磺酸钠的润湿力较直链烷基苯磺
酸钠为佳，其中以2-丁基辛基最为有效。
苯环位于烷基链的中央者，润湿力最佳，
磷酸酯盐中以烷基为双辛基的润湿性能最好。
2）亲水基
亲水基在分子中间者的润湿性能比在末端的好。
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。
表6-3 一些自憎液体在高能表面上接触角（20℃）【11】
液体
(mN/m
θ
LV
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 界面张力，减少接触角，从而提高润湿效率、润湿 速度。
2）分散
当团聚体受到机械力作用(如搅拌等)，会产生微缝， 但它很容易通过自身分子力的作用而愈合。
表面活性剂分子自动地渗入到微细裂缝中、吸附在粉
S SV SL LV A LV
S>0,A>

，即固液粘附张力大于液体表面张力即可发生铺展过程。 LV
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，而 是在水面上形成一个“透镜”形状的油滴。