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材料表界面(华东理工大学)-5.ppt

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第五章 固-液界面,5.1 Young 方程和接触角,1. 接触角:在三相交界处自固-液界面经过液体内部到气-液界面的夹角叫接触角,以θ表示。,(1)θ=0,完全润湿,液体在固 体表面铺展。,(2)0θ90°, 液体可润湿固体,且θ越小,润湿越好。,(3)90°θ180° 液体不润湿固体。,(4)θ=180°,完全不润湿,液体在固体表面凝成小球。,2. Young方程,图5-2 Young方程的推导,从能量观点推导Young方程(如图5-2),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,5.2 粘附功和内聚能,图5-3 α、β相的分离,Wa是将结合在一起的两相分离成独立的两相外界所做的功,称作粘附功。,在这一过程中,外界所做的功 为:,图5-4 均相物质的分离,若将均相物质分离成两部分,产生两个新界面,则式(5-5)中,σα=σβ,σαβ=0。则:这里Wc称作内聚功或内聚能,物体的内聚能越大,将其分离产生新表面所需的功也越大。,5.3Young-Dupre公式,对固液界面,粘附功:WSL=σS+σL-σSL 考虑到与气相平衡WSL=σSG+σLG-σSL Young方程:,上式称为Young-Dupre方程,它将固-液之间的粘附功与接触角联系起来。,上式如果θ=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。如果θ=180°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,5.4 接触角的测定方法,5.4.1 停滴法(图5-5),图5-5 停滴法测接触角,将液滴视作球形的一部分,测出液滴高度h和2r,由简单几何分析求出θ:,接触角测定仪,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,5.4.3 电子天平法,如果液体完全润湿纤维,则:,如果液体与纤维之间的接触角为θ,则有:若纤维的半径r和液体表面张力σL已知,则用电子天平法测出∆P后,由式(5-17)可求出接触角θ。,测定两种互不相溶液体之间的界面张力和界面接触角,图5-9 界面张力和界面接触角的测试,,若完全浸润,若界面张力σL1L2已知,液体与纤维之间存在接触角θL1/L2,则:因此,测定ΔP可求出纤维在L1/L2界面的接触角θL1/L2。,(5-18),(5-19),局限性,对仪器精密度要求高,操作难度大; 测试的是单根纤维,误差大。以对水完全润湿的r=20微米的纤维为例:,图5-10 用纤维束测接触角示意图,,以一束纤维代替一根纤维,在塑料管中充填一束纤维,充填率ξ=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,图5-11 浸润曲线,,充填率ξ=0.47~0.53,以m2~t作图,可得直线。该直线的斜率即为(5-20)式中t的系数。由斜率即可求出接触角θ。,,接枝改性丙纶的接触角,5.5 接触角的滞后现象,5.5.1 前进角和后退角 前进角θa 最大前进角θa,max 后退角θr 最小后退角θr,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。,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,图5-13 表面粗糙度对接触角的影响,5.5.2由于表面粗糙引起的滞后,A:真正表面积; A’:表观表面积,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dScosθw。,式中θy为Young接触角,上式叫做Wentzel方程。它表明粗糙表面的cosθw的绝对值总比平滑表面的cosθy大。,如图所示,在平衡状态下有,,(1)当θy90°时,表面粗糙化将使接触角变大。润湿性更差。 (3)由式5-22可以估算实验的误差,例如: 当θ=10o时,若r=1.02,则θy-θw=5o; 当θ=45o时,若r=1.1,才使θy-θw=5o; 当θ=80o时,若r=2,才使θy-θw=5o; 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。,5.5.3由于表面不均匀性和多相性的滞后,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。,对于由物质A和物质B组成的复合表面,若两者各占分数为xA和xB,则复合表面的接触角可表示为:,所以,表面不均匀性和表面污染是造成接触角滞后 的重要原因,图5-14 水在TiO2与C18H37
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