表面活性剂润湿作用

《表面活性剂润湿作用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《表面活性剂润湿作用（5页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、表面活性剂润湿作用固体表面上的原子或分子的价键力是未饱和的，与内部原子或分子比较有多余的能量。所以，固体表面与液体接触时，其表面能往往会减小。通常，暴露在空气中的固体表面积总是吸附气体 的，当它与液体接触时，气体如被推斥而离开表面，则固体与液体直接接触，这种现象称为润湿。一、润湿过程在清洁的玻璃板上滴一滴水，水在玻璃表面上立即铺展开来；而在石蜡上滴一滴水，水则不能铺展而保持滴状，如图 1所示。从水面与固体面的接触点沿水面引切线，切线与固体面之间的夹角0称为接触角。水与玻璃的接触角接近于零，而与石蜡的接触角约为1100。接触角小的固 体易为液体润湿，反之，接触角大的固体则不易被液体润湿。因此，接

2、触角的大小可作为润湿的 直观尺度。又如，在玻璃板上滴一滴酒精，酒精滴也会在玻璃板上铺展开来，其接触角为零，铺 展情形与水的情况没有什么差异。当固体物质不是玻璃时，其润湿情况有显著不同。因此，在研面讨论润湿过程。究润湿时，接触角是一个重要判据。为对润湿尺度给以更严格的规定，图 1.接触角润湿即固体表面吸附的气体为液体所取代的现象，这就是说发生润湿时，固一气界面消失， 形成新的固-液界面。在这种过程中能量（自由能）必发生变化，自由能变量的大小可作为润湿作用 的尺度。固一气界面消失，新的固-液界面产生有多种方式，所以润湿的类型也相应有多种。图 2为三种类型润湿。图2（a）为铺展润湿，水、酒精等在玻璃

3、表面上铺展即为这种铺展润湿。发生 这种润湿时能量变化由式一决定：W寻匸冷血-（式一）式中y固体的表面张力；J SYl液体的表面张力；yst固体和液体的界面张力；SLWS铺展功，亦称做铺展系数。SWS的物理意义从图可以清楚地看出：在固体表面上铺展的液体膜，在逆过程中减少单位面 积所需的能量。经过这种过程后，固体产生lcm2的新表面，同时消失1cm2液体表面和lcm2 固- 液界面，所以从式一由表面张力和界面张力立即算出W。在发生这种润湿的过程中，释放出的S能量和w相等，W 0时发生润湿。SS图2（b）为浸入润湿（浸湿）。将纸、布浸于水中，水即附着于其表面和渗入其中，这种过程称为 浸湿，此时能量变

4、化为：W（式二）式中Wi浸湿功。Wi 的物理意义是：液体在润湿纸、布的纤维毛细管的逆过程中，露出单位面积固体表lli r-jf一. .- G图 2.三种类型润湿面所需的能量。当Wi大于等于零时发生浸湿，与图2（a）时的情形相同。图2（c）为沾附润湿（沾湿），在玻璃上滴一滴水银，两者形成一定的接触面，这种润湿称为沾湿。 能量变化用下式表示： 式中Wa沾湿功。沾湿功是将液体和固体接触部分分离开lcm2,形成lcm2新液体表面和lcm2新固体表面所需的 能量， Wa 大于等于零时发生沾湿。在计算上述三种润湿时，需要知道固体表面张力YS和固-液界面张力Wa,目前还不能直接测 定它们，所以必须从公式中消

5、去之。消去法如下：当液滴溶在固体表面上时，Ys、Yl、YSl。和接 触角0之间服从图2所示的关系：（式四）式四称为杨氏（Young）公式。利用杨氏公式可将式一、式二、式三写成如下的形式:W = AIW 4 = XlIV,=迪 4 y. = Fi cc叨4 1J（式五）昨匕再i. 一卅呃皿式中 A=Ysysl。由上式可看出，发出润湿时，三种润湿的能量变化不相同，所以自发条件也不相同。润湿时 的能量变化Ws、Wi和Wa必须为正值：铺展润湿W NO,即0=00s浸 湿W 0，即00，即 0l800a在研究润湿时，首先需要确定所发生的过程是哪种润湿，然后测定yl和0，即可算出能量变 化。yl值可采用表

6、面张力测定法测出，0的测定是在固体的表面滴一滴液体，然后用适当的光学 放大，在投影屏上进行测量。上面对发生润湿时引起能量变化做了讨论。自由能包括固体表面上液体分子定向吸附产生的 吸附热的热量变化和熵变化。一些场合固体粉末浸于液体中，可以测定润湿产生的热量。这种热 称为浸湿热或润湿热，其大小等于浸湿时热量的变化。浸湿能A的变化与润湿热Qi之间在热力 学上有如下的关系式：（式六）润湿热是液体分子和固体表面相互作用产生的，测得此值即可推论固体表面的状态，也可给出固体粉末在液体中分散情况的信息。如果固体与液体无亲和性，它在液体中则不能分散，此时两者相互作用弱，而润湿热也小。图 3为几种液体对固体粉末的

7、润湿热与液体分子偶极矩的关系。 润湿热是液体分子的偶极子与固体表面静电场相互作用产生的热。图中直线的斜率表示固体表面 静电场的场强，即固体表面的极性。因此可以断定，二氧化钛的表面极性较大，而石墨化炭黑的 表面是非极性的。具有极性表面的固体粉末易分散于极性大的液体内，而非极性表面的固体粉末 易分散于非极性液体内。即固体粉末易分散于被其润湿的液体中，反之，固体粉末不分散于不为 其润湿的液体中。良好分散的固体粉末在液体内发生沉积时，粉末粒子密集，沉淀体积小；分 散不好的固体粉末在液体内沉积时，发生杂乱无章凝聚，凝聚体内有空隙，沉淀体积大。所以沉 淀体积可作为分散好坏的判据。CJhNHEFc4h,oh

8、.fj帘此燈除图 3. 润湿热 Qi 与液体分子偶极矩 Pi 的关系二、固体的临界表面张力 如上所述，根据接触角可判断液体对固体润湿程度。烃和高分子固体的表面张力比较小，滴纯液 体于其平滑的表面上，测定液滴的接触角，小心操作重复性会很好。图 4绘出了几种液体的表面 张力与它们跟聚乙烯表面接触时形成接触角的余弦之间的关系。各测定点几乎在一条直线上，对直线外推至COS41,即0=0的表面张力值为31mN/m。此 值称为聚乙烯的临界表面张力，以yc表示。其物理意义是，具有小于此表面张力值的液体均能 在聚乙烯表面上铺展开来，表面张力大于此值的液体则不能铺展。故yc是固体表面特有的值。 表1列出了几种固

9、体的临界表面张力yc。由表可看出，聚四氟乙烯胶不易为液体润湿，而聚苯 乙烯和聚酰胺较易为液体润湿。图 4. 各种液体对聚乙烯表面的润湿 表 1. 固体的临界表面张力1B样f, mN m 1片 m丸 inIS鹑33 *4311:片人烷29三、润湿的分子理论在液体和固体的界面上，液体面上的单分子层一方面受液体内部分子的吸引，另一方面受固 体表面分子的吸引。饱和烃液体与固体间的相互吸引仅仅是色散力的作用，在这种引力作用下使 张力减小这里YdL和YdS分别为色散力对液体和固体表面张力的贡献。固体由于其晶格上 的缺陷和力学上的应变，对其表面张力下定义是困难的，而YdS则是由相接触分子在色散力作用 下引起

10、的，其物理意义和量是非常明确的。九甜一冷|_一航由式四可写出：（式七）式中nL 因固体表面吸附液体蒸气而导致YS降低的值。Xi在前面的讨论中忽略了 值。正确的计算应将它考虑进去。当液体和固体仅以色散力相互作 用时，式八成立：（式八）将式八代入式七，可消去YS：7館皿=人十2疋卫-巩（式九）将此式加以改写：（式十）按式十的计算值和实测值是相符的。式中。在大多数情况下可认为是零。当不能忽略时,可取近似值，即烃在水面上的铺展能和在固体上铺展能的差值。当固体仅以色散力与液体相互作用时，nL小于铺展能，显然当铺展能为零时，nL亦为零。当忽略式十中右方最后一项时，测出各种液体在给定固体表面上的接触角，即可

11、按忽略式算 出固体的YdS值。图5为几种液体在不同固体表面上的接触角余弦与液体 的关系曲线，它们 均为直线，其斜率为 从而可求出色散力对固体表面张力的贡献碟。从图可看出，全部直线 皆通过C0S0=-l点。测出一种液体在固体上的接触角，即可得知其他液体在固体上的接触角。将上面的讨论用于润湿热上，可估量色散力和其他分子间力对润湿热的贡献。浸湿自由能的 变化可由式求出，当固体和液体的相互作用仅为色散力作用时，可采用式八：八妝一旳=兀一2必将上式代人润湿热 Qi 的关系式六，得到：)目前还没有关于rds随温度变化的数据，但根据热膨胀推断，它是很小的，此项对润湿热的贡 献在2%以下。对石墨化炭黑来说，YdS为lO8mJ / m2，用此值代入式一，计算出25C时液体 的润湿热，将结果列于表 2，表中也列出了实测值，两者数值相当吻合。这表明，此润湿过程主 要是由液体和固体之间的色散力相互作用引起的。显然这与石墨化炭黑表面是非极性的事实一致50H-I”穴rVlTiNr m LMJ -id 如 202 COfifff口-十和圮弗H爼上 的熒as月MB图 5. 固体表面上几种液体的接触角表 2. 润湿热的计算值和实验值的比较Q.1 nd ruqit忡幕值畀 e -CM实曲故J rrij12rmIt!115丨107水舱4 ITTL进一步可推断和计算色散力和其他分子间力对吸附热的贡献。