润湿作用

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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

沾湿

指液体与固体接触,变液-气界面、固-气界面为固-液界面的过程(见图)。

图

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γSGγSL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:

WaγLG(1+cosθ)

可通过γLGθ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

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:

AWiγSG-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:

WiγLGcosθ

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

指以固液界面取代固-气界面的过程。

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。