工程材料表面的潤濕及其調(diào)控

潤濕作用(wetting)

1定義:潤濕作用通常是指液體在固體表面上附著的現(xiàn)象。

固體表面的一種流體被另一種流體所取代的過程。

潤濕有三種類型，即沾濕、浸濕與鋪展。

沾濕是改變液-氣界面固-氣界面為固-液界面的過程;

沾濕附著發(fā)生條件:△GA=γSL-γSG-γLG<0

WA=γSG-γSL+γLG≥0

式中:γSG、γSL和γLG分別為氣-固、液-固和氣-液界面的表面張力

液體對固體沾濕能力可用粘附功來表示。粘附功表示在粘濕過程中單位表面體系自由能的降低值。一般用下式表示:

Wa=(γSG+γLG)-γSL

式中Wa為粘附功;γSG為固-氣界面自由能;γLG為液體表面自由能即表面張力;γSL為固-液界面的界面自由能。Wa值愈大則固-液界面結(jié)合愈牢,因此Wa表征固液兩相分子在界面上相互作用的大小。根據(jù)熱力學，在等溫等壓下，Wa≥0的過程為天然過程的方向,此即粘濕過程自發(fā)進行的條件。

在實際應用中,由于γSG和γSL很難直接測定,因此很難直接測出Wa，只能通過測定液體在固體表面上的接觸角θ來得到。利用楊氏潤濕方程得到下列公式:

Wa=γLG(1+cosθ)

可通過γLG和θ值得到Wa。由此式可見,若接觸角θ<180°，則Wa>0。因此可利用θ對沾濕進行判斷。

將固體浸入液體中，如果固體表面氣體均為液體所置換，則稱此過程為浸濕。

浸濕發(fā)生條件:△Gi=γSL-γSG≤0

Wi=γSG-γSL≥0 (Wi:浸濕功)

指將固體浸入液體的過程即變固-氣界面為固-液界面的過程，液體表面在此過程中無變化。浸濕的能力用浸濕功表示，又稱粘附張力，它反映液體取代固體表面上氣體的能力，在鋪展作用中它是對抗液體收縮表面的能力而產(chǎn)生的鋪展力量。計算浸濕的基本公式為: A=Wi=γSG-γSL

式中A為粘附張力;Wi為浸濕功。利用楊氏潤濕方程可得到浸濕功: Wi=γLGcosθ

由此式可見，若已知液體的表面張力和該液體在固體表面的接觸角，便可得到此固體在液體中的浸濕功或粘附張力。若接觸角θ≤90°，則浸濕過程可自發(fā)進行。

鋪展是在指以固液界面取代固-氣界面的過程。

固-液界面代替固-氣界面的同時，液體表面也擴展。

鋪展發(fā)生條件為:△GS=γSL+γLG-γSG≤0

S=γSG-γSL-γLG≥0 (S:鋪展功)

設(shè)液體在固體表面上形成液滴，形成如下圖所示的液滴:

到達平衡時，在氣、液、固三相交界處，氣-液界面和固-液界面之間的夾角稱為接觸角(contact angle)，用θ表示。它實際是液體表面張力和液-固界面張力間的夾角。接觸角的大小是由在氣、液、固三相交界處，三種界面張力的相對大小所決定的。從接觸角的數(shù)值可看出液體對固體潤濕的程度。

當、和達平衡時以下關(guān)系:

γSG-γSL=γLG cosθ

上述方程稱為楊(Young)方程。從楊方程我們可以得到下列結(jié)論:

(1)如果(γSG-γSL)=γLG，則cosθ=1，θ=0° ，這是完全潤濕的情況，在毛細管中上升的液面呈凹型半球狀就屬于這一類。如果(γSG-γSL)>γLG，則直到

θ=0還沒有達到平衡，因此楊方程不適用，但是液體仍能在固體表面鋪展開來。

(2)如果0<(γSG-γSL)<γLG，則1>cosθ>0，θ<90o ，固體能為液體所潤濕;

(3)如果(γSG-γSL)< 0，則cosθ<0，θ>90o ，固體不為液體所潤濕，如水銀滴在玻璃上。

根據(jù)楊方程，我們還可得到Wa、Wi、S用cosθ和的表達式:

然后根據(jù)cosθ和的實驗測定值計算這些參數(shù)。<i id="bke_b1nvor7v">

用于改變固-液(一般為水)體系潤濕性質(zhì)，使液體更易潤濕固體的試劑稱為潤濕劑，一般是表面活性劑。潤濕劑的作用是降低液體的表面張力和固-液間的界面張力，使液體容易在固體表面上展開。

固體表面上的一種流體被另一流體取代的過程。也指固體表面上的氣體被液體所取代，特別是指用水或水溶液取代表面上氣體的過程。習慣上將液體在固體表面上的接觸角θ=90°時定義為潤濕與否的標準，θ>90°為不潤濕，θ<90°則為潤濕，接觸角θ越小，潤濕性能越好。