6.2 固体的表面(6)

    ②铺展润湿
    这是液滴落在清洁平滑的固体表面上的情况。当忽略液体的重力和粘度影响时，则液滴在固体表面上的铺展是由固/气(SV)、固/液(SL)和液/气(LV)三个界面张力所决定，其平衡关系可由图6-15和下式确定：
                (6-31)
                   (6-32)
式中：θ是润湿角，F称润湿张力。显然，当θ> 90° 则因润湿张力为负而不润湿；θ<90°则润湿；θ=0°润湿张力F最大，可以完全润湿，即液体在固体表面上自由铺展。
从(6-32)式可进一步得出，润湿的先决条件是γ_SV>γ_SL 。当固/液两相的化学性能或化学结合方式接近时，能符合上述情况。因此，同类固体（如氧化物-氧化物）界面上一般会形成小的润湿角，甚至完全润湿。而在金属熔体与氧化物之间，由于键性和结构不同，界面能γ_SL较大，导致γ_SV<γ_SL 而不润湿。从(6-32)式还可以看到γ_LV的作用是多方面的，在润湿的系统中( γ_SV﹥γ_SL)，γ_LV减小会使θ缩小，而在不润湿的系统中( γ_SV<γ_SL )，γ_LV减小使θ增大。
③浸渍润湿
       这是指固体浸入液体中的过程。在此过程中，固/气界面为固/液界面所代替，而液体表面没有变化。当固体浸渍到液体中，自由能变化可由下式表示：
               (6-33)
若γ_SV>γ_SL，则θ<90°，于是浸渍润湿过程将自发进行。若γ_SV<γ_SL ，则θ>90°，要将固体浸于液体之中必须做功。
      综上所述，可以看出三种润湿的共同点是：液体将气体从固体表面排开，使原有的固/气(或液/气)界面消失，而代之以固/液界面。铺展是润湿的最高标准，能铺展则必能附着和浸渍。从公式(6-31)还可以看出，改善润湿性主要取决于γ_SV、γ_LV和γ_SL的相对大小。在这三者中，改变γ_SV一般是困难的，实际上更多的是考虑改变γ_LV和γ_SL。
               
     真实固体表面的润湿还要考虑表面的粗糙和污染情况，这些因素对润湿过程会产生重要的影响。从热力学考虑系统处于平衡时，界面位置的微小移动所产生的界面能的净变化应等于零。于是，设界面在固体表面上从图6-16(a)中的A点推进到B点，固/液界面积扩大了δS，而固体表面减小了δS，液/气界面则增加了δScosθ，平衡时有：
         

                (6-34)
对具有一定粗糙度的实际表面如图6-16(b)，可以认为真实表面积比表观面积大n倍。当界面位置同样由A′点移到B′点，真实表面积增大了nδS，固/气界面也减小了nδS，而液/气界面则增大了δS·cosθ_n，于是有：

            ，
           ，
                 (6-35)
式中：n是表面粗糙度系数，cosθ_n是粗糙表面的表观接触角。由于n值总大于1，故θ_n和θ的关系将按图6-17所示的余弦曲线变化，即θ<90°，θ>θ_n；当 θ＝90°，θ =θ_n；当θ>90°，θ <θ_n 。由此得出结论：当真实接触角θ小于90°时，粗糙度越大，表观接触角越小，更容易润湿。当θ 大于90°时，则粗糙度越大，越不利于润湿。
（本节完）