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第6章 表面与界面

              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γSVSL 。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γSL较大,导致γSVSL 而不润湿。从(6-32)式还可以看到γLV的作用是多方面的,在润湿的系统中( γSV﹥γSL),γLV减小会使θ缩小,而在不润湿的系统中( γSVSL ),γLV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γSVSL,则θ<90°,于是浸渍润湿过程将自发进行。若γSVSL ,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γSV、γLV和γSL的相对大小。在这三者中,改变γSV一般是困难的,实际上更多的是考虑改变γLV和γSL
               
     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·cosθn,于是有:

            
           
                 (6-35)
式中:n是表面粗糙度系数,cosθn是粗糙表面的表观接触角。由于n值总大于1,故θnθ的关系将按图6-17所示的余弦曲线变化,即θ<90°,θ>θn;当 θ=90°,θ =θn;当θ>90°,θ <θn 。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)

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