全球領先的凯发娱乐K8測量技術——精確快速測量動靜態表麵張力

熱線:021-66110810,66110819,66110690,13564362870 Email: info@vizai.cn

榮譽客戶/Honor customers

               

拜耳公司

               

同濟大學

                

聯合大學

                

美國保潔

                

美國強生

               

瑞士羅氏

當前位置首頁 > 新聞中心

表麵張力與潤濕作用

來源:BzoneShanghai_博詹 瀏覽 30 次 發布時間:2022-07-14

一、膠黏劑粘接機理


1、機械理論


機械理論認為,膠粘劑必須滲入被粘物表麵的空隙內,並排除其界麵上吸附的空氣,才能產生粘接作用。


2、弱邊界層理論


弱邊界層理論認為,當粘接破壞被認為是界麵破壞時,實際上往往是內聚破壞或弱邊界層破壞。弱邊界層來自膠粘劑、被粘物、環境,或三者之間任意組合。如果雜質集中在粘接界麵附近,並與被粘物結合不牢,在膠粘劑和被粘物內部都可出現弱邊界層。當發生破壞時,盡管多數發生在膠粘劑和被粘物界麵,但實際上是弱邊界層的破壞。


3、擴散理論


擴散理論認為,粘接是通過膠粘劑與被粘物界麵上分子擴散產生的。當膠粘劑和被粘物都是具有能夠運動的長鏈大分子聚合物時,擴散理論基本是適用的。熱塑性塑料的溶劑粘接和熱焊接可以認為是分子擴散的結果。


4、靜電理論


由於在膠粘劑與被粘物界麵上形成雙電層而產生了靜電引力,即相互分離的阻力。當膠粘劑從被粘物上剝離時有明顯的電荷存在,則是對該理論有力的證實。


5、吸附理論


吸附理論認為,粘接是由兩材料間分子接觸和界麵力產生所引起的。粘接力的主要來源是分子間作用力包括氫鍵力和範德華力。膠粘劑與被粘物連續接觸的過程叫潤濕,要使膠粘劑潤濕固體表麵,膠粘劑的表麵張力應小於固體的臨界表麵張力,膠粘劑浸入固體表麵的凹陷與空隙就形成良好潤濕。


二、界麵現象


多種研究結果表明,兩相的接觸麵(通常約為幾個分子的厚度)處,其結構、性質與兩側體相均不同。這種接觸麵就是界麵。


氣-液界麵(液體表麵)

氣-固界麵(固體表麵)

液-液界麵

液-固界麵

固-固界麵

三、表麵張力


(一)、處於液體體相內的任一分子受到其周圍四麵八方分子的作用是相等的,可以抵消,故在液體內部分子的移動無需做功。處於液體表麵上的分子受到液體內部分子的作用力遠大於另一側氣體(或蒸氣)分子的作用力,因而液體表麵分子有自動向液體內部遷移的趨勢,這種趨勢的表現之一是液體表麵自動縮小,表現之二為欲擴大表麵需外界做功。

表麵張力的力學定義是作用於液體表麵上任何部分單位長度直線上的收縮力,力的方向是與該直線垂直並與液麵相切。單位為mN·m-1。


(二)、決定和影響液體表麵張力的主要因素


1.物質的本性


液體的表麵張力(或表麵自由能)表示將液體分子從體相拉到表麵上所做功的大小,故於液體分子間相互作用力的性質與大小有關。相互作用強烈,不易脫離體相,表麵張力就大。


2.溫度的影響


溫度升高,分子鍵引力減弱,故表麵張力多隨溫度升高而減小。同時,溫度升高液體的飽和蒸氣壓增大,氣相中分子密度增加,也是氣相分子對液體表麵分子的引力增大,導致液體表麵張力減小。當溫度達到臨界溫度Tc時,液相與氣相界線消失,表麵張力降為零。


3.壓力的影響


隨壓力增大,表麵張力減小。低壓下影響不明顯,高壓下可能引起比較明顯的變化。


四、潤濕作用與接觸角


(一).潤濕作用


凝聚態物體表麵一種流體被另一種流體取代的過程稱為潤濕。潤濕過程分為三類,即在日常生活中經常遇到的沾濕、浸濕和鋪展。


沾濕:液體取代固體表麵氣體,液體不能完全展開的過程稱為沾濕。

當WA>0時,即∆GA<0時,沾濕過程才是自發的。

液體在固體表麵展開成薄層,此過程稱為鋪展。鋪展是固氣界麵消失,氣液界麵和固液界麵形成的過程。

鋪展係數S>0,過程自發進行。


固體浸於液體中的過程稱為浸濕。此過程是固氣界麵被固液界麵取代,氣液界麵無變化,此過程自由能變化為

WI>0,過程自發進行。


將一液體滴到一平滑均勻的固體表麵上,若不鋪展,將形成一平衡液滴,其形狀由固液氣三相交界麵處所作氣液界麵之切線經液滴至固液界麵所成之夾角決定,此角稱為該種液體在所研究固體表麵上之接觸角,或稱潤濕角。接觸角常以θ表示。

該式稱為Young方程或潤濕方程。θ越小,潤濕過程越易進行。習慣上,θ>90℃,為不潤濕,θ<90℃,為潤濕。

(二).決定和影響接觸角大小的一些因素


1.物質的本性


由楊氏方程,θ由γsg,γsl,γlg決定。對於指定的固體,液體表麵張力越小,其在該固體上的θ也越小。對於同一液體,固體表麵能越大,θ越小。


θ反應了液體與固體表麵親和作用大小,親和力越強越易於在表麵上展開,θ越小。

若液體與固麵無相對運動時,所形成的兩個接觸角是相等的即平衡接觸角θe;若液體與固體發生相對運動時,則會形成兩個不同的接觸角。較大的θa稱為前進接觸角,較小的θr稱為後退接觸角。這種θa>θr的現象稱為接觸角滯後。


2.1表麵粗糙性


表麵粗糙度:真實的粗糙的固體表麵積與相同體積固體完全平滑表麵積之比。用r來表示,r≥1,r越大,表麵越粗糙。


某液體在粗糙表麵上的表觀接觸角θ′與在同一固體平滑麵上接觸角θ有下述關係:

2.2表麵不均勻性


因各種原因固體表麵有不同表麵能的區域使得θ大小與表麵組成有關。若表麵由性質1和2的物質組成,各占表麵分數f1和f2,某種液體在各純組成的物質上的θ分別為θ1和θ2,混合表麵的θ為:

3.吸附及其他因素對接觸角的影響


固體表麵,特別是高能固體表麵能自發地從周圍環境中吸附某些組分而降低表麵能,同時也改變了表麵性質,從而影響θ大小。


其他如溫度,液滴形成時間等都能對接觸角產生影響。


五、潤濕現象應用


一般聚四氟乙烯不易潤濕,因為它的γs-g較小,這是此類塑料電鍍的難題,若將聚四氟乙烯浸在含Fe3+(3.7×10-2mol/L)溶液中浸泡16min後,前進角由105°±2°變為54°±2°,後退角由107°±3°變為0°。


棉布被水潤濕不防水,若在棉布中加入氟代烷基類的化合物,讓極性基吸附於棉布上形成定向排列吸附層,就增大了接觸角(γs-g減小),從而使憎水性加強,達到了防雨的目的。


低能表麵與高能表麵


已知有機固體(如石蠟,聚乙烯等)的表麵能都小於100mJ·m-2,無機固體(如NaCl,CaO,Ag,雲母等)表麵能都大於100mJ·m-2。認為界定,前者為低表麵能固體,其表麵為低能表麵;後者為高表麵能固體,其表麵為高能表麵。


金屬原子之間的作用力是由離域電子維係的,作用力大小幾乎等同於化學鍵。而有機物分子之間的作用力為範德華力,比化學鍵力要小得多。表麵原子所處的力場不均勻性越大,表麵能越高。


固體表麵能大小決定了其可潤濕性質。液體在固體表麵能自發鋪展的基本條件是液體表麵張力小於固體的表麵能。液體表麵張力越低,越有利於鋪展進行。


能使低能固體表麵潤濕的液體較少。表征低能表麵潤濕性質的經驗參數是臨界(潤濕)表麵張力,臨界表麵張力,常以rc表示。其物理意義是:表麵張力低於rc的液體方能在此低能表麵上鋪展。


比如聚四氟乙烯的γc=18mN·m-1,γ水=72.8mN·m-1,相差很大,故可作為防水、抗水材料。


當未固化環氧傾倒於聚乙烯上並固化時,附著力即使有也很低,而將聚乙烯熔融並塗於已固化環氧樹脂上,附著力相當強。在第一種情況下,高表麵能液體,如環氧樹脂不會潤濕低表麵能固體,如γc較低的聚乙烯;在第二種情況下,液體聚乙烯的表麵能比固化的環氧低,有利於潤濕。