润湿作用
液体在固体表面上附着的现象
润湿作用,是一种流体从固体表面置换另一种流体的过程。润湿现象可以分为沾湿、浸湿和铺展三种类型。润湿是在日常生活和生产实际中,如洗涤、印染、矿物浮选等,最常见的现象之一,因此,研究润湿现象有极强的现实意义。
简介
固体表面上的一种流体被另一流体取代的过程。也指固体表面上的气体被液体所取代,特别是指用水或水溶液取代表面上气体的过程。习惯上将液体在固体表面上的接触角θ=90°时定义为润湿与否的标准,θ>90°为不润湿,θ<90°则为润湿,接触角θ越小,润湿性能越好。
润湿过程
润湿作用(wetting)
1定义:润湿作用通常是指液体在固体表面上附着的现象。
固体表面的一种流体被另一种流体所取代的过程。
润湿有三种类型,即沾湿、浸湿与铺展。
沾湿
沾湿是改变液-气界面固-气界面为固-液界面的过程;
沾湿附着发生条件:△GA=γSL-γSG-γLG<0
WA=γSG-γSL+γLG≥0
式中:γSG、γSL和γLG分别为气-固、液-固和气-液界面的表面张力
液体对固体沾湿能力可用粘附功来表示。粘附功表示在粘湿过程中单位表面体系自由能的降低值。一般用下式表示:
Wa=(γSG+γLG)-γSL
式中Wa为粘附功;γSG为固-气界面自由能;γLG为液体表面自由能即表面张力;γSL为固-液界面的界面自由能。Wa值愈大则固-液界面结合愈牢,因此Wa表征固液两相分子在界面上相互作用的大小。根据热力学,在等温等压下,Wa≥0的过程为天然过程的方向,此即粘湿过程自发进行的条件。
在实际应用中,由于γSG和γSL很难直接测定,因此很难直接测出Wa,只能通过测定液体在固体表面上的接触角θ来得到。利用杨氏润湿方程得到下列公式:
Wa=γLG(1+cosθ)
可通过γLG和θ值得到Wa。由此式可见,若接触角θ<180°,则Wa>0。因此可利用θ对沾湿进行判断。
浸湿
将固体浸入液体中,如果固体表面气体均为液体所置换,则称此过程为浸湿。
浸湿发生条件:△Gi=γSL-γSG≤0
Wi=γSG-γSL≥0 (Wi:浸湿功)
指将固体浸入液体的过程即变固-气界面为固-液界面的过程,液体表面在此过程中无变化。浸湿的能力用浸湿功表示,又称粘附张力,它反映液体取代固体表面上气体的能力,在铺展作用中它是对抗液体收缩表面的能力而产生的铺展力量。计算浸湿的基本公式为: A=Wi=γSG-γSL
式中A为粘附张力;Wi为浸湿功。利用杨氏润湿方程可得到浸湿功: Wi=γLGcosθ
由此式可见,若已知液体的表面张力和该液体在固体表面的接触角,便可得到此固体在液体中的浸湿功或粘附张力。若接触角θ≤90°,则浸湿过程可自发进行。
铺展
铺展是在指以固液界面取代固-气界面的过程。
固-液界面代替固-气界面的同时,液体表面也扩展。
铺展发生条件为:△GS=γSL+γLG-γSG≤0
S=γSG-γSL-γLG≥0 (S:铺展功)
设液体在固体表面上形成液滴,形成如下图所示的液滴:
到达平衡时,在气、液、固三相交界处,气-液界面和固-液界面之间的夹角称为接触角(contact angle),用θ表示。它实际是液体表面张力和液-固界面张力间的夹角。接触角的大小是由在气、液、固三相交界处,三种界面张力的相对大小所决定的。从接触角的数值可看出液体对固体润湿的程度。
当、和达平衡时以下关系:
γSG-γSL=γLG cosθ
上述方程称为杨(Young)方程。从杨方程我们可以得到下列结论:
(1)如果(γSG-γSL)=γLG,则cosθ=1,θ=0° ,这是完全润湿的情况,在毛细管中上升的液面呈凹型半球状就属于这一类。如果(γSG-γSL)>γLG,则直到
θ=0还没有达到平衡,因此杨方程不适用,但是液体仍能在固体表面铺展开来。
(2)如果0<(γSG-γSL)<γLG,则1>cosθ>0,θ<90o ,固体能为液体所润湿;
(3)如果(γSG-γSL)< 0,则cosθ<0,θ>90o ,固体不为液体所润湿,如水银滴在玻璃上。
根据杨方程,我们还可得到Wa、Wi、S用cosθ和的表达式:
然后根据cosθ和的实验测定值计算这些参数。
润湿剂
用于改变固-液(一般为水)体系润湿性质,使液体更易润湿固体的试剂称为润湿剂,一般是表面活性剂。润湿剂的作用是降低液体的表面张力和固-液间的界面张力,使液体容易在固体表面上展开。
参考资料
最新修订时间:2023-12-24 13:51
目录
概述
简介
润湿过程
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