工程材料表面的润湿及其调控

润湿作用(wetting)

1定义:润湿作用通常是指液体在固体表面上附着的现象。

固体表面的一种流体被另一种流体所取代的过程。

润湿有三种类型，即沾湿、浸湿与铺展。

沾湿是改变液-气界面固-气界面为固-液界面的过程;

沾湿附着发生条件:△GA=γSL-γSG-γLG<0

WA=γSG-γSL+γLG≥0

式中:γSG、γSL和γLG分别为气-固、液-固和气-液界面的表面张力

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γSG和γSL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:

Wa=γLG(1+cosθ)

可通过γLG和θ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。

将固体浸入液体中，如果固体表面气体均为液体所置换，则称此过程为浸湿。

浸湿发生条件:△Gi=γSL-γSG≤0

Wi=γSG-γSL≥0 (Wi:浸湿功)

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: A=Wi=γSG-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: Wi=γLGcosθ

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。

铺展是在指以固液界面取代固-气界面的过程。

固-液界面代替固-气界面的同时，液体表面也扩展。

铺展发生条件为:△GS=γSL+γLG-γSG≤0

S=γSG-γSL-γLG≥0 (S:铺展功)

设液体在固体表面上形成液滴，形成如下图所示的液滴:

到达平衡时，在气、液、固三相交界处，气-液界面和固-液界面之间的夹角称为接触角(contact angle)，用θ表示。它实际是液体表面张力和液-固界面张力间的夹角。接触角的大小是由在气、液、固三相交界处，三种界面张力的相对大小所决定的。从接触角的数值可看出液体对固体润湿的程度。

当、和达平衡时以下关系:

γSG-γSL=γLG cosθ

上述方程称为杨(Young)方程。从杨方程我们可以得到下列结论:

(1)如果(γSG-γSL)=γLG，则cosθ=1，θ=0° ，这是完全润湿的情况，在毛细管中上升的液面呈凹型半球状就属于这一类。如果(γSG-γSL)>γLG，则直到

θ=0还没有达到平衡，因此杨方程不适用，但是液体仍能在固体表面铺展开来。

(2)如果0<(γSG-γSL)<γLG，则1>cosθ>0，θ<90o ，固体能为液体所润湿;

(3)如果(γSG-γSL)< 0，则cosθ<0，θ>90o ，固体不为液体所润湿，如水银滴在玻璃上。

根据杨方程，我们还可得到Wa、Wi、S用cosθ和的表达式:

然后根据cosθ和的实验测定值计算这些参数。<i id="bke_b1nvor7v">

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。

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。