固體表面潤濕性機(jī)理及模型

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1、李小兵等：固體表面潤濕性機(jī)理及模型3919*固體表面潤濕性機(jī)理及模型?李小兵，劉瑩（南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西南昌330031）摘要：潤濕性是固體表面的重要特征之一。人工控子密度遠(yuǎn)大于氣相的分子引力，致使合力不再為零，而制和制備固體表面潤濕性已成為研究的熱點(diǎn)，而且逐漸是具有一定的量值且指向液相的內(nèi)側(cè)。由于這個(gè)拉力的被應(yīng)用于國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們?nèi)粘Ｉ畹炔煌I(lǐng)存在，使得液體表面的分子，相對(duì)于液體內(nèi)部分子處于域。論述了固體表面潤濕性的有關(guān)理論基礎(chǔ)，包括表面較高能量態(tài)勢，隨時(shí)有向液體內(nèi)部遷移的可能，處于一張力、表面自由

2、能、潤濕過程及其條件。分析了固體表種不穩(wěn)定的狀態(tài)。液體表面分子受到的拉力形成了液體面接觸角的Young模型、Wenzel模型和Cassie模型等幾的表面張力，相對(duì)于液體內(nèi)部所多余的能量，就是液體種理論模型，以及解釋了接觸角滯后現(xiàn)象。的表面過剩自由能。由于表面張力或表面過剩自由能的關(guān)鍵詞：潤濕性；表面張力與表面能；潤濕過程；接存在，在沒有外力作用時(shí)，液體都具有自動(dòng)收縮成為球觸角形的趨勢，這是因?yàn)樵隗w積一定的幾何形體中球體的表中圖分類號(hào)：TB34；TB383文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A面積最小。系統(tǒng)處于穩(wěn)定平衡時(shí)，勢能應(yīng)為最小。因此

3、，文章編號(hào)：1001-9731(2007)增刊-3919-06一定質(zhì)量的液體，其表面要盡可能收縮，使表面能成為最小。1引言潤濕性是固體表面的重要特征之一，人工控制和制備固體表面潤濕性以及自清潔表面在國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們?nèi)粘Ｉ钪杏兄匾膽?yīng)用前景，引起了人們的[1~4]普遍關(guān)注。隨著對(duì)自然界中自清潔現(xiàn)象和潤濕性可控表面的深入研究，制備無污染、自清潔表面的夢(mèng)想成圖1液體表面、內(nèi)部分子的能量為現(xiàn)實(shí)。從而，深入地研究固體表面潤濕性的理論基礎(chǔ)Fig1Energyofliquidsurfaceandinteriormole

4、cules以及理論模型，有利于推動(dòng)固體表面潤濕性的發(fā)展和應(yīng)設(shè)當(dāng)表面擴(kuò)展的微面積為dA時(shí)，表面張力所作的用，為控制和制備固體表面潤濕性提供理論依據(jù)。元功為－δW，因?yàn)楸砻娣肿邮艿街赶蛞合鄡?nèi)側(cè)的拉力，要擴(kuò)展表面，液相內(nèi)部的一部分分子就要向表面移動(dòng)，2表面張力與表面自由能所以作負(fù)功。在表面擴(kuò)展過程中，元功－δW與微面積增量dA成正比，令γ為比例系數(shù)，則有：固體表面潤濕性由表面的化學(xué)組成和微觀幾何結(jié)構(gòu)共同決定[5]。而表面張力、表面自由能是固體表面潤－δW=γ·dA（1）又因?yàn)樵阝驕睾銐簵l件下，在表面擴(kuò)展的過程中，濕性研究

5、和應(yīng)用的理論基礎(chǔ)。體系對(duì)外界所做的功即為δW，而δW應(yīng)等于在此過程表面張力、表面過剩自由能是描述物體表面狀態(tài)的中體系自由能的減少（-dGT.P），故（1）式可寫作：物理量。表面層里的液體分子都受到指向液體內(nèi)部的引dGT.P=γ·dA力作用，因此，要把液體分子從內(nèi)部移到表面層中，必亦即：須克服這種引力做功，所做的功變成分子勢能。這樣，γ＝(dG/dA)T.P（2）位于表面層內(nèi)的液體分子，比起內(nèi)部的液體分子，具有從（2）式中看出，γ的物理意義是：在恒溫恒壓條較大的勢能。表面層中全部分子所具有的額外勢能總件下，增加單位表

6、面積表面所引起的體系自由能的增和，稱為表面能。表面能是內(nèi)能的一種形式，液體的表量，也就是單位表面上的分子比相同數(shù)量的內(nèi)部分子過面越大，具有較大勢能的分子數(shù)越多，表面能就越大。剩的自由能，因此，叫比表面過剩自由能，常簡稱為“比液體表面或固體表面分子與其內(nèi)部分子的受力情2表面能”，單位是J/m。因?yàn)?J＝1N·m，所以，一種物形是不同的，因而所具有的能量也是不同的。以液體為質(zhì)的比表面能與表面張力數(shù)值上完全一樣，量綱也一例，如圖1所示，處在液相內(nèi)部的分子，四周被同類分樣，但物理意義有所不同，所用的單位也不同。子所包圍，受

7、周圍分子的引力是對(duì)稱的，因而相互抵消，以上討論有關(guān)液體表面張力的問題也可以推廣到合力為零；處在液體表面的分子則不然，因?yàn)橐合嗟姆止腆w，固體表面的分子和液體表面的分子一樣，比內(nèi)部*收到稿件日期：2007-01-08通訊作者：劉瑩作者簡介：李小兵（1979－），男，講師，博士生，從事表面工程與摩擦學(xué)研究。3920功能材料2007年增刊（38）卷分子具有過剩的自由能，固體的表面張力或比表面能一鋪展是指液體在固體表面上擴(kuò)展過程中，“液-固”般比液體大得多。固－液相接觸或液-液相接觸的比表界面取代“氣-固”界面的同時(shí)，液體表

8、面也擴(kuò)展的過面能γSL或γLL的物理意義是：單位面積相界面上兩相物程，體系還增加了同樣面積的“氣-液”界面。所以在質(zhì)的分子，各自比相同數(shù)量的本相內(nèi)部分子過剩自由能恒溫恒壓下，單位鋪展面積上體系自由能的變化為：的加和值。當(dāng)γSL或γLL取N/m為單位時(shí)，通常稱為界（表）ΔG＝γSL＋γLG－γSG面張力（γ）。體系對(duì)外所作的功W（也叫鋪展系數(shù)S，S的大小常以γ