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润湿是一种流体从固体表面置换另一种流体的过程。最常见的润湿现象是一种液体从固体表面置换空气,如水在玻璃表面置换空气而展开。
在日常生活及工农业生产中,有时需要液固之间润湿性很好,有时则相反。如纸张,用做滤纸时,要求水对其润湿性好;包装水泥用的牛皮纸,则因水泥需要防水,要求水对其不润湿。
1930年Osterhof和Bartell把润湿现象分成沾湿、浸湿和铺展三种类型。
第六章 液体对固体的润湿作用
沾湿
沾湿:将气液界面与气固界面变为液固界面的过程。
沾湿引起体系自由能的变化为:
式中,γls,γgs和γgl分别为单位面积固一液、固一气和液一气的界面张力。
沾湿的实质是液体在固体表面上的粘附,沾湿的粘附功Wa为
01
从式知γsl越小,则Wa越大,液体越易沾湿固体。若Wa≥0, 则ΔG≤0,沾湿过程可自发进行。
02
浸湿
浸湿是将固体完全浸入到液体中的过程,如将衣服浸泡在水中。
浸湿过程引起的体系自由能的变化为
如果用浸润功Wi来表示,则是
若Wi≥0,则ΔG≤0,过程可自发进行。 Wi越大,则液体在固体表面上取代气体的能力愈强。
铺展
置一液滴于一固体表面。恒温恒压下,若此液滴在固体表面上自动展开形成液膜,则称此过程为铺展润湿。体系自由能的变化为
或
S称为铺展系数,S>0是液体在固体表面上自动展开的条件。
L
图 液体在固体表面的铺展
S
V
01
PEPORT ON WORK
注意:上述条件均是指在无外力作用下液体自动润湿固体表面的条件。有了这些热力学条件,即可从理论上判断一个润湿过程是否能够自发进行。但实际上却远非那么容易,上面所讨论的判断条件,均需固体的表面自由能和固一液界面自由能,而这些参数目前尚无合适的测定方法,因而定量地运用上面的判断条件是有困难的。尽管如此,这些判断条件仍为我们解决润湿问题提供了正确的思路。
接触角和 Young方程
将液滴(L)放在一理想平面(S)上如果有一相是气体,则接触角是气一液界面通过液体而与固一液界面所交的角。1805年,Young指出,接触角的问题可当作平面固体上液滴受三个界由张力的作用来处理。当三个作用力达到平衡时,应有下面关系
或
这就是著名的Young方程。式中γsg和γlg是与液体的饱和蒸气成平衡时的固体和液体的表面张力(或表面自由能)。
S
g
L
θ
γsg
γlg
γsl
液滴在固体表面的接触角
接触角是实验上可测定的一个量。有了接触角的数值,代入润湿过程的判断条件式,即可得:
01
粘湿:
02
浸湿:
03