第3章-界面湿润现象

L
L
3.2 界面湿润原理及过程

3.沾湿 (adhesion)
粘附功(work of adhesion)
G ( ls gl gs ) As
当G<0时, 粘附过程可以自发进行。 定义粘附功 Wa :
G Wa G g l g s l s As
G ( ls gl gs ) As
当G<0时, 铺展过程可以自发进行。 定义铺展系数 S:
G S G g s g l l s As

S>0时, 铺展过程可以自发进行
3.2 界面湿润原理及过程

6. 粘附功、浸湿功、铺展系数
在实际测量时亦可将固体平板斜插入待 测液体中 因表面张力的作用在三相交界处会产生 弯月面, 保持一定的接触角 改变插入的角度, 直到液面与平板接触 之处不产生液面弯曲, 此时板面与液面 之间的夹角即为接触角
斜板法
3.2 界面湿润原理及过程

2. 接触角与湿润方程
接触角(contact angle)的测定
3.3 界面湿润的应用

3. 矿物浮选
浮选发展的三个阶段：
表层浮选→多油浮选→泡沫浮选 (1) 表层浮选: 根据矿物的湿润性不同, 把磨细的矿粉撒于水面 疏水性的矿物漂在水面上作为精矿 亲水性的浸没在水中即为尾矿 (2) 多油浮选: 利用矿物和脉石的亲水性和亲油性不同， 加大油量与矿浆搅拌, 然后将粘附于油层中的矿物刮出 (3) 泡沫浮选: 利用气泡携带矿物上浮
使液滴收缩;
(l/g) (s/g) O (s/lls )
r
(l/g)–力图将液体分子拉向液面
切线方向, 使液滴收缩.
3.2 界面湿润原理及过程

2. 接触角与湿润方程
湿润方程(Yong方程)
g
l-g
M
s-g
A
s

l
N s-l
sg dl sl dl l g dl cos s g s l Young方程: cos lg
M
g
s-g
A l
N
g

A
s
润湿 亲液性固体
s-l
s-g
l
s
不润湿 憎液性固体
N s-l
若接触角小于90°, 液体能润湿 固体, 如水在洁净的玻璃表面。
若接触角大于90°, 说明液体不 能润湿固体, 如汞在玻璃表面
3.2 界面湿润原理及过程

2. 接触角与湿润方程
接触角(contact angle)的测定
3.3 界面湿润的应用

3. 矿物浮选
矿物浮选基本原理就是润湿作用 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
3.3 界面湿润的应用

3. 矿物浮选
矿物浮选操作过程
① 首先将粗矿磨碎, 倾入浮选池中 在池水中加入捕集剂和起泡剂等表面活性剂
力小于管外水平液面下的液体所承受的压力
h
故液体被压入管内, 平衡时, 则:
(a)水在毛细管中上升
gh p 2
r
注意：r 是弯曲液面的曲率半径。(不是毛细管半径)
3.3 界面湿润的应用

4. 毛细管现象
利用下图可以得到, 润湿角 与毛细管半径R及弯曲
r

液面的曲率半径r的关系：
R
0 sg sl l g时， 1>cos 0, 90
固体不能为液体所润
(3) 不润湿
注：1. 接触角为平衡接触角; 2.
s g s v
3.2 界面湿润原理及过程

3.沾湿 (adhesion)
粘附过程
S
S S-g界面 L-g界面
L-S界面
气相
2, g
1, g
液相1
三相接界点:
1, g 和 1, 2 企图维持液体1不铺展 2, g 的作用是使液体铺展
液相2
1, 2
如果 2, g>
( 1, g+ 1,2)：
则液体1能在液体2上铺展
3/3
界面湿润的应用
3.3 界面湿润的应用

界面湿润的作用
1) 增加润湿作用 2) 降低润湿作用 3) 矿物浮选
② 搅拌并从池底鼓气, 带有有效矿粉的气泡聚集表面 收集并灭泡浓缩, 从而达到了富集的目的
③ 不含矿石的泥砂、岩石留在池底，定时清除
3.3 界面湿润的应用

3. 矿物浮选
选择性吸附过程展示：
① 气泡从疏水的煤的表面排开水层并与其粘附 ② 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。 矿物表面被水润湿的程度用 接触角来评定 自然界矿物接触角很少有超 过90°的 为了扩大矿物之间疏水性的 差异, 达到有效分选, 必须人 为增大或缩小特定矿物的接 触角
1. 湿润现象
防水雨衣
3.1 界面湿润现象

1. 湿润现象
湿润烧伤膏
3.1 界面湿润现象

1. 湿润现象
补水保湿面膜
3/2
界面湿润原理及过程
3.2 界面湿润原理及过程

1. 湿润
固体 (或液体) 表面上的气体被液体(或另一种不互溶液体)取代的现象
原因：固体与液体接触后吉布斯函数降低(G<0)。 按润湿程度深浅分类 （1）浸湿润湿 （2）铺展润湿
材料成形界面工程
Interfacial Engineering in Materials Processing
李贵
武汉科技大学机械自动化学院
3/
界面湿润现象
3.1 界面湿润现象 3.2 界面湿润原理及过程
3.3 界面湿润的应用
3.1 界面湿润现象

1. 湿润现象
大雾天气
3.1 界面湿润现象

3.3 界面湿润的应用

3. 矿物浮选
3.3 界面湿润的应用

4. 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
3.3 界面湿润的应用

4. 毛细管现象
产生这种现象的原因 毛细管内的弯曲液面上存在附加压力△p, 以毛细管上升为例。 ΔP 由于p指向大气, 使得管内凹液面下的液体的承受压
s,g
l,g
L
O
S
l ,s
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
3.2 界面湿润原理及过程

2. 接触角与湿润方程
接触角(contact angle) 当系统达到平衡时, 在气, 液, 固三相交界点, 气-液与气-固界面张 力之间的夹角称为接触角, 通常用 表示 l-g l-g M
G Wi G g s l s As

Wi>0时, 浸湿过程可以自发进行
3.2 界面湿润原理及过程

5. 铺展(spreading)
铺展过程
s
L-g界面可忽略
L-g界面
S-g界面
S-L界面 S
S
3.2 界面湿润原理及过程

5. 铺展(spreading)
铺展系数(spreading coefficient)
Wa gl gs ls
Wi g s ls S gs ls gl
Wa Wi S
根据Young方程：
sg s l l g cos
Wa gl g s l s l g (1 cos ) Wi gs ls l g cos
4) 毛细管现象
3.3 界面湿润的应用

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

Wa>0时, 粘附过程可以自发进行
3.2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ界面湿润原理及过程

4. 浸湿 (immersion)
浸湿过程
s
gas
liquid
3.2 界面湿润原理及过程

4. 浸湿 (immersion)
浸湿功(work of immersion)
G ( ls gs ) As
当G<0时, 浸湿过程可以自发进行。 定义浸湿功 Wi :
S gs l s g l l g (cos 1)
3.2 界面湿润原理及过程

7. 临界界面张力
临界界面张力只与固 体表面性质有关
l c
液体即可在固体表面完全铺展
3.2 界面湿润原理及过程

8. 液体的铺展 一种液体能否在另一种不互溶的液体上铺展, 取决于两种液体本身 的表面张力和两种液体之间的界面张力 一般说, 铺展后, 表面自由能下降, 则这种铺展是自发的 大多数表面自由能较低的有机物可以在表面自由能较高的水面上铺展
（3）沾附润湿 一定温度和压力下，润湿的程度可用润湿过程的吉布斯函数改变量 来衡量。吉布斯函数降低越多，越易润湿。
3.2 界面湿润原理及过程

2. 接触角与湿润方程
接触角(contact angle) 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。
h
R cos r
液体在毛细管内上升(或)下降的高度：
毛细管半径R与 液面曲率半径r的关系
2 cos h gR
—液体表面张力 —液体体积质量
g —重力加速度
下
次
课
再
见
但液体仍然可以在固体表面完全铺展开来
(2) 润湿
0 sg sl l g时， 1>cos 0, 90
固体能为液体所润湿
3.2 界面湿润原理及过程

2. 接触角与湿润方程
湿润方程(Yong方程)
s g s l Young方程: cos lg
3.3 界面湿润的应用

2. 降低润湿作用
降低湿润作用也是利用表面活性剂, 但作用正相反 使某些物质本是润湿的变成不润湿—去润湿作用 原理是用表面活性物质的极性部分选择性吸附 非极性部分向外呈憎水性
一次性抽血器中盛血的玻璃管(定量的), 内壁要疏水化, 使用的是硅偶联剂,使血液在管内不残留
竖板毛细升高法最初由Neumann提出
采用薄板垂直插入液体中, 通过测量板侧 面的毛细升高高度确定接触角 对无限宽的平板, 直接对Laplace方程积分 可得:
Neumann法 竖板毛细升高法
Neumann应用数字影像方法,使测量精 度提高到±0.06°, 特别适合测量动态接 触角和接触角随温度的变化关系
3.2 界面湿润原理及过程

2. 接触角与湿润方程
三种界面张力 1) 接触角的大小是由在气、液、固三相交界处的三种界面张力的相 对大小所决定
2) 接触角的数值反映了液体对固体的润湿程度。
(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,
3.2 界面湿润原理及过程

2. 接触角与湿润方程
湿润方程(Yong方程)
s g s l Young方程: cos lg
(1) 完全润湿
sg sl l g时 cos 1, 0 s g sl l g 时, Young方程不成立,