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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。,一、,Young,方程和接触角,四、黏附功和内聚能,五、,Young-Dupre,公式,二、接触角的测定方法,第四章,液,-,固界面,三、接触角的滞后现象,六、润湿过程的三种类型,4.1 Young,方程和接触角,在气、液、固三相交界点，自固,-,液界面经过液体内部到气,-,液界面的夹角称为,接触角,，通常用,q,表示。,4.1 Young,方程和接触角,（,1,）,=0,，完全润湿，液体在固 体表面铺展。,（,2,）,0,90,，液体可润湿固体，且,越小，润湿越好。,（,3,）,90,180,液体不润湿固体。,（,4,）,=180,，完全不润湿，液体在固体表面凝成小球。,4.1 Young,方程和接触角,从力学观点推导,Young,方程,4.1 Young,方程和接触角,从能量观点推导,Young,方程,系统自由焓的变化,当液体滑动时，应有：,代入得：,平衡时，,dG=0,故,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：,dA,液气,，,dA,固气,，,dA,固液,停滴法,吊片法,电子天平法,4.2,接触角的测定方法,4.2,接触角的测定方法,1.,停留法,2r,h,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,。,1.,停留法,4.2,接触角的测定方法,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,。,4.2,接触角的测定方法,2.,吊片法,将表面光滑、均匀的固体薄片垂直插入液体中，如果液体能够润湿此固体，则将沿薄片平面上升。升高值,h,与接触角,之间的关系为：,sin,=1,(,gh,2,2,LG,),在已知,LG,的条件下，不难由上式求出,。,若液面上升高度为,h,，由,laplace,方程,由于：,所以：,且：,有：,附：吊片法推导公式,令：,则,定积分,：,得：,或：,4.2,接触角的测定方法,3.,电子天平法,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,，由记录仪记下如右图的曲线。,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,。,如果液体与纤维之间的接触角为,，则有,P=2,r,L,cos,若纤维的半径,r,和液体表面张力,L,已知，则用电子天平法测出,P,后，即可求出接触角,。,4.2,接触角的测定方法,3.,电子天平法,4.2,接触角的测定方法,3.,电子天平法,应用电子天平方法还可测定,两种互不相溶液体,之间的界面张力和界面接触角。,如图所示，,L,1,和,L,2,为互不相溶两种液体。纤维,S,插入通过,L,1,，,L,2,的界面，当升降装置下降，在纤维离开,L,1,L,2,界面的瞬间，电子天平测出该过程的力变并记录下来。在测试中若纤维用铂金丝，以保证被液体完全润湿，则：,P=2,r,L1/L2,测定,P,可求出两种互不相溶液体的界面张力,L1/L2,。,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,L,1,L,2,界面的接触角,L1/L2,。,4.2,接触角的测定方法,3.,电子天平法,另一种电子天平法使用一束纤维，而不是一根纤维，如左图所示。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。,通过流体力学分析，可推导得出如下公式：,m,2,=(W,1,2,1,cos,H,2,W,f,A,P,1,),t,式中：,m,为在润湿时刻,t,时的增重量，由实验记录；,W,1,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；,W,f,为纤维的充填质量，可称取；,A,P,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。,4.2,接触角的测定方法,3.,电子天平法,按上式，以,m,2,-t,作图，可得直线。该直线的斜率即为式中,t,的系数。由斜率即可求出接触角,。,停滴法,吊片法,电子天平法,4.2,接触角的测定方法,决定和影响接触角大小的因素,物质的本性,(1),液体与固体表面性质差别越大接触角越大。,(2),在同一固体上液体的表面张力越大，接触角越大。,2.,接触角的滞后现象,（,1,）表面粗糙性,（,2,）表面不均匀性,（,3,）表面污染,4.3,接触角的滞后现象,4.3.1,前进角和后退角,前进角,a,最大前进角,a,max,后退角,r,最小后退角,r,min,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。,接触角滞后的原因是由于液滴的前沿存在着能垒。,4.3,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,4.3.2,由于表面粗糙引起的滞后,A,：真正表面积；,A,：表观表面积,当液滴向前推进时，固液界面的真正面积增加,rdS,，固气界面的真正面积相应减少,rdS,，液气界面的真正面积增加,dScos,w,。,式中,y,为,Young,接触角，上式叫做,Wentzel,方程。它表明粗糙表面的,cos,w,的绝对值总比平滑表面的,cos,y,大。,如图所示，在平衡状态下有：,4.3,接触角的滞后现象,（,1,）当,y,90,时，表面粗糙化将使接触角变大。润湿性更差。,（,3,）可见，接触角越小，表面粗糙度的影响越大，要得到准确的接触角，特别注意表面要光滑。,4.3.3,由于表面不均匀性和多相性引起的滞后,4.3,接触角的滞后现象,在相的交界处存在着能垒，液体的前沿往往停留在相的交界处。前进角往往反映表面能较低的区域，或反映与液体亲和力弱的那部分固体表面的性质，而后退角往往反映表面能较高的区域，或反映与液体亲和力强的那部分固体表面的性质。,无论是液体或是固体的表面，在污染后都会引起滞后现象。,表面污染往往来自液体和固体表面的吸附作用，从而使接触角发生显著变化。,影响接触角的因素十分复杂，所以在测定时，要尽可能控制测定环境的温度、湿度、液体的蒸气压、固体表面的清洁度和粗糙度等因素。,4.3.4,表面污染,4.3,接触角的滞后现象,决定和影响接触角大小的因素,接触角的滞后现象,（,1,）表面粗糙性,（,2,）表面不均匀性,（,3,）表面污染,一、,Young,方程和接触角,四、黏附功和内聚能,五、,Young-Dupre,公式,二、接触角的测定方法,三、接触角的滞后现象,六、润湿过程的三种类型,你有试过晾晒自己的心情么？这么好的阳光，这么好的天气，如果有很多不开心的事情，,让阳光晒凉一下你的心情,经常都在说：生活也许不能每天都阳光灿烂，,但是我们可以每天给生活一个微笑，给自己一缕阳光，,试试看，这样你的心情会好的。,4.4,黏附功,和内聚能,液,固,拉开,黏附,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。,液,拉开,结合,4.4,黏附功和,内聚能,等温、等压条件下，两个单位液面可逆聚合为液柱所作的最大功称为,内聚能,，是液体本身结合牢固程度的一种量度。,内聚时两个单位液面消失，所以，,内聚功,在数值上等于该变化过程表面自由能变化值的负值。,对固液界面，粘附功：,考虑到与气相平衡,Young,方程：,W,固液,=,液气,(1+cos),4.5 Young-,Dupre,公式,4.5 Young-,Dupre,公式,W,固液,=,液气,(1+cos),(1),上式如果,=0,，则,:,也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。,(2),如果,=180,，则：,液,-,固分子之间没有吸引力，分开固,-,液界面不需做功。此时固体完全不为液体润湿。,(3),当,0,A0,，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。,4.6.4,湿润过程的比较,4.6,润湿过程的三种类型,上式中都涉及粘附张力,A=,SG,-,SL.,。显然，,SG,越大，,SL,越小，（,SG,-,SL,）差值就越大，越有利于润湿。,对粘附润湿，增大,LG,有利，对于浸湿，,LG,的大小不起作用。对铺展润湿来说，减少,LG,是有利的。,黏附润湿：,W,a,=,固气,-,固液,+,液气,浸湿：,A =,固气,-,固液,铺展润湿：,S,l/s,=,固气,-,固液,-,液气,借助,Young,方程，将,SG,=,SL,+,LG,cos,代入可得：,黏附润湿：,W,a,=,固气,-,固液,+,液气,浸湿：,A =,固气,-,固液,铺展润湿：,S,l/s,=,固气,-,固液,-,液气,4.6.4,湿润过程的比较,4.6,润湿过程的三种类型,4.6.4,湿润过程的比较,类 型 能量判据式,接触角判据,粘附润湿,W,a,=,LG,（,cos+1,）,0,180,浸 湿,A=,LG,cos0,90,铺展润湿,S,L/S,=,LG,（,cos-1,）,0,=0,或不存在,4.6,润湿过程的三种类型,习惯上规定,=90,为润 湿与否的标准，即,90,为不润湿，,90,为不润湿，,90,为润湿，,越小润湿越好。当平衡接触角,=0,或不存在时为铺展。,解：,不能润湿,例：,一滴油酸在,20,o,C,时，落在洁净水面上，已知：,水,=7310,-3,Nm,-1,，,油酸,=3210,-3,Nm,-1,；,油酸,水,=1210,-3,Nm,-1,，油酸与水相互饱,和后，,油酸,=,油酸,，,水,=4010,-3,Nm,-1,据此判断：油酸在水面上开始与终了的形状。,水滴在油酸表面上的形状又如何？,黏附润湿：,W,a,=,固气,-,固液,+,液气,浸湿：,A =,固气,-,固液,铺展润湿：,S,l/s,=,固气,-,固液,-,液气,解,:,S,油酸,水,=,水,-,油酸,-,油酸,水,=2910,-3,Nm,-1,S,油酸,水,=,水,-,油酸,-,油酸,水,=-410,-3,Nm,-1,开始时油酸在水面上铺展成膜，终了时油酸缩回成椭球状。,解,:,S,水,油酸,=,油酸,-,水,-,油酸,水,=-5310,-3,Nm,-1,S,水,油酸,=,油酸,-,水,-,油酸,水,=-2010,-3,Nm,-1,水在油酸中始终成椭球状，不能铺展。,本章小结,重点掌握：,(1)Young,方程,(2),润湿过程的三种类型：,黏附润湿：,W,a,=,固气,-,固液,+,液气,浸湿：,A =,固气,-,固液,铺展润湿：,S,l/s,=,固气,-,固液,-,液气,理解,:,（,1,）黏附功和内聚能,（,2,）,Young-Dupre,公式,了解,:,接触角的测定方法和滞后现象,更刺激，更清爽,生活像一杯水，有的时候需要加点冰,作业,课后习题：,3,，,4,，,5,