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接触角与润湿

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接触角与润湿

接触角是反应液体与固体润湿性关系的重要尺度。润湿是指在固体表面上一种液体取代另一种与之不相混溶的流体气体或另一液体的过程。润湿情形可分为粘湿、铺展和浸湿3类:


A. 粘湿是指液体与固体接触,将气—液界面和气—固界面转变成液—固界面的过程。在过程中新形成的液—固界面增加了自由能,而被取代的气—液和气—固界面减少了自由能。所以引起体系自由能的变化ΔG和体系对外界所作的粘附功WaSL满足下式:
                          -ΔG=WaSLSGLGSL       (1)
(1)式中当WaSL0,-ΔG≤0时,粘湿过程方可自发进行。若将杨氏方程代入(1)式可Young-Dupre方程
                          -ΔG=WaSLLG(1+cosθ)        (2)
(2)式可知当θ≤180°时方可满足WaSL0,-ΔG≤0

B. 铺展是指液体在固体表面扩展过程中,液—固界面取代气—固界面的同时,液体表面也扩展的过程。在过程中体系增加了同样面积的气—液界面。所以引起体系自由能的变化ΔG和体系对外界所作的功WsSL也叫铺展系数S)满足下式:
                          -ΔG=WsSL=S=γSGSLLG       (3)
(3)式中当WsSL=S≥0,-ΔG≤0时,铺展过程方可自发进行。若将杨氏方程代入(3)式可得:
                          -ΔG=WsSL=S=γLG(cosθ-1)        (4)
(4)式可知当θ=0°或不存在时方可满足WsSL=S≥0,-ΔG≤0

C. 浸湿是指固体浸没在液体中,气—固界面转变为液—固界面的过程。在过程中液体表面没有变化。所以引起体系自由能的变化ΔG和体系对外界所作的浸湿功WiSL也叫粘附张力A)满足下式:
                          -ΔG=WiSL=A=γSGSL       (5)
(5)式中当WiSL=A≥0,-ΔG≤0时,浸湿过程方可自发进行。若将杨氏方程代入(5)式可得:
                          -ΔG=WiSL=A=γLG·cosθ        (6)
(6)式可知当θ≤90°时方可满足WiSL=A≥0,-ΔG≤0

所以由式(2)(4)(6)可知液体在固体表面的润湿性的好坏程度可通过接触角来衡量:

A. 当θ≤180°时为粘湿

B. 当θ=180°时为完全不润湿(这是不可能的理想状态,因液体与固体间的相互吸引力总会存在)

C. 当θ=90°时为润湿与否的分界标准;当θ>90°时为不润湿(疏水);当θ<90°为润湿(亲水)

D. 当θ≤90°时为浸湿

E. 当θ=0°或不存在时为铺展(完全润湿)