材料表界面復(fù)習(xí)課學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1材料表界面材料表界面(jimin)復(fù)習(xí)課復(fù)習(xí)課第一頁，共80頁。考 核 方 式 平時成績： 20 （包括考勤10和課堂練習(xí)、作業(yè)等10） 期末考試(q m ko sh)： 80 （選擇，判斷，填空，簡答，計算）第1頁/共79頁第二頁，共80頁。材料表界面材料表界面(jimin)課程主課程主要內(nèi)容要內(nèi)容一、緒論一、緒論二、液體界面二、液體界面三、固體表面三、固體表面(biomin)四、固液界面四、固液界面五、表面五、表面(biomin)活性劑活性劑六、高分子材料的表面六、高分子材料的表面(biomin)張力張力七、聚合物的表面七、聚合物的表面(biomin)改性改性八、金屬材料的表面八、

2、金屬材料的表面(biomin)九、無機非金屬材料的表界面九、無機非金屬材料的表界面十、復(fù)合材料的界面十、復(fù)合材料的界面表界面表界面(jimin)基礎(chǔ)知識基礎(chǔ)知識材料表界面材料表界面第2頁/共79頁第三頁，共80頁。什么什么(shn me)是表界面？是表界面？表界面通常表界面通常(tngchng)有五類：氣有五類：氣-液界面（表面），液界面（表面），氣氣-固界面（表面），液固界面（表面），液-液界面，液液界面，液-固界面，固固界面，固-固界面。固界面。第3頁/共79頁第四頁，共80頁。為什么要學(xué)習(xí)材料表界面為什么要學(xué)習(xí)材料表界面(jimin)？材料表界面對材料整體性能具有(jyu)決定性影響。各

3、種材料的性能和制造過程：腐蝕、老化、硬化、破壞、印刷(ynshu)、涂膜、粘結(jié)、復(fù)合等等，無不與材料的表界面密切有關(guān)。第4頁/共79頁第五頁，共80頁。表面表面(biomin)(biomin)張力與表面張力與表面(biomin)Gibbs(biomin)Gibbs自由能自由能材料材料(cilio)表界面的基本性表界面的基本性能能不同點：物理概念、意義不同：表面張力（通常）指純物質(zhì)的表面層分子間實際存在著的（收縮(shu su)）張力。單位：N / m。表面自由能表示形成單位新表面使體系自由能的增加，可表示為：J/m2第5頁/共79頁第六頁，共80頁。材料材料(cilio)表界面的基本性能表界面

4、的基本性能相同點： 既可表示表面自由能又可表示表面張力，兩者量綱相同，既可表示表面自由能又可表示表面張力，兩者量綱相同，數(shù)值數(shù)值(shz)相等：相等： 表面自由能表面自由能 J / m2 = Nm /m2 = N / m 表面張力表面張力表面表面(biomin)(biomin)張力與表面張力與表面(biomin)Gibbs(biomin)Gibbs自由能自由能第6頁/共79頁第七頁，共80頁。材料表界面材料表界面(jimin)的基本性的基本性能能由于(yuy)分子在體相內(nèi)部與界面上所處的環(huán)境是不同的，產(chǎn)生了凈吸力。把作用于單位邊界線上的這種把作用于單位邊界線上的這種力稱為力稱為(chn wi)

5、(chn wi)表面張力，表面張力，用用 表示，單位是表示，單位是Nm-1Nm-1。表面張力第7頁/共79頁第八頁，共80頁。材料材料(cilio)表界面的基本性表界面的基本性能能表面張力(biominzhngl)表面張力的本質(zhì)：表面張力產(chǎn)生(chnshng)的根本原因：表面張力的方向：分子間相互作用力的不平衡分子間相互作用力表面張力的方向和液面相切，如果液面是平面，表面張力就在這個平面上。 如果液面是曲面，表面張力就在這個曲面的切面上，并促使液體表面積縮小的方向。第8頁/共79頁第九頁，共80頁。材料材料(cilio)表界面的基本性表界面的基本性能能表面張力(biominzhngl)影響(y

6、ngxing)表面張力的因素：1. 分子間力的影響分子間力的影響表面張力與物質(zhì)的本性和所接觸相的性質(zhì)有關(guān)。液體或表面張力與物質(zhì)的本性和所接觸相的性質(zhì)有關(guān)。液體或者固體中的分子間的相互作用力或化學(xué)鍵力越大，表面者固體中的分子間的相互作用力或化學(xué)鍵力越大，表面張力越大。張力越大。Hg NaCl H2O 苯 金屬鍵離子鍵極性共價鍵及氫鍵非極性共價鍵第9頁/共79頁第十頁，共80頁。表面張力(biominzhngl)材料表界面的基本材料表界面的基本(jbn)性能性能影響(yngxing)表面張力的因素：1. 分子間力的影響分子間力的影響第10頁/共79頁第十一頁，共80頁。表面張力(biominzhn

7、gl)2. 溫度的影響溫度的影響隨溫度升高，分子間的距離增大，分子間的相互作用力減弱，隨溫度升高，分子間的距離增大，分子間的相互作用力減弱，表面張力表面張力(biominzhngl)就會下降。當(dāng)溫度升高到臨界溫度時，就會下降。當(dāng)溫度升高到臨界溫度時，液體與氣體的界面消失，表面張力液體與氣體的界面消失，表面張力(biominzhngl)趨于零。趨于零。材料表界面材料表界面(jimin)的基本性的基本性能能影響表面張力的因素：第11頁/共79頁第十二頁，共80頁。表面張力(biominzhngl)材料表界面材料表界面(jimin)的基本性的基本性能能第六章第六章 高分子材料高分子材料(cilio)

8、(cilio)的表面的表面張力張力2 表面形態(tài)對表面張力的影響1 表面張力與溫度的關(guān)系3 表面張力與相對分子質(zhì)量的關(guān)系4 表面張力與分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系5 表面張力與內(nèi)聚能密度6 共聚和共混對表面張力的影響7 固體聚合物表面張力的測定方法第12頁/共79頁第十三頁，共80頁。材料材料(cilio)表界面的四大定理？表界面的四大定理？1. Laplace方程(fngchng)2. Kelvin公式(gngsh)3. Gibbs 吸附等溫式4. Young方程第13頁/共79頁第十四頁，共80頁。1. Laplace方程(fngchng)彎曲表面上的附加(fji)壓力psps由于液面是彎曲的，沿由于液面

9、是彎曲的，沿AB的周界上的表面張力不能抵消，的周界上的表面張力不能抵消，作用于邊界的力有一指向曲率作用于邊界的力有一指向曲率(ql)中心的合力。所有的點中心的合力。所有的點產(chǎn)生的合力和為產(chǎn)生的合力和為 Ps ，稱為附加壓力。，稱為附加壓力。ABAB第14頁/共79頁第十五頁，共80頁。1. Laplace方程(fngchng)附加壓力的方向總是指向曲率(ql)中心。psps彎曲表面上的附加(fji)壓力第15頁/共79頁第十六頁，共80頁。（1）凸液面，液滴的曲率半徑r為正，P為正，附加壓力指向液體內(nèi)部，r越小，P越大；（2）平液面，r趨向無窮大，P為零，跨越(kuyu)平液面不存在壓力差；（

10、3）凹液面，r為負，P為負，附加壓力指向空氣。248 2/ (2-15)Prr drprr d 1. Laplace方程(fngchng)第16頁/共79頁第十七頁，共80頁。涉及的計算(j sun)：知道內(nèi)外壓差，液體表面張力，計算(j sun)液珠直徑。248 2/ (2-15)Prr drprr d 1. Laplace方程(fngchng)第17頁/共79頁第十八頁，共80頁。1. Laplace方程(fngchng)的應(yīng)用毛細管法最大氣泡壓力法滴重法吊環(huán)法吊板法液體表面張力液體表面張力(biominzhngl)測定測定第18頁/共79頁第十九頁，共80頁。1. Laplace方程(f

11、ngchng)的應(yīng)用MN0ppp2H OHg毛細管現(xiàn)象毛細管現(xiàn)象(xinxing)浸潤液體在細管里升高的現(xiàn)象和不浸潤液體在細管里降低的現(xiàn)象,叫做毛細現(xiàn)象(mo x xin xing).能夠產(chǎn)生明顯毛細現(xiàn)象(mo x xin xing)的管叫做毛細管. 毛細管法第19頁/共79頁第二十頁，共80頁。p=2/r (2-19)gh=2 /r (2-20)hrr 毛細管法1. Laplace方程(fngchng)的應(yīng)用第20頁/共79頁第二十一頁，共80頁。 毛細管法gh=2 /r (2-20)1. Laplace方程(fngchng)的應(yīng)用hrr第21頁/共79頁第二十二頁，共80頁。2. Kelv

12、in公式(gngsh)彎曲表面上的蒸汽壓Kelvin公式(gngsh)表明：液滴的半徑越小，其蒸汽壓越大。氣泡的半徑越小，其蒸汽壓越小。rMRVPPRT22)ln(0第22頁/共79頁第二十三頁，共80頁。2. Kelvin公式(gngsh)涉及計算時特別注意(zh y)：液滴：凸面，r0。氣泡：凹面，r0, PrP0rMRVPPRT22)ln(0凸液面使得凸液面使得(sh de)蒸蒸氣壓增大，因此液滴氣壓增大，因此液滴極難產(chǎn)生和存在。極難產(chǎn)生和存在。當(dāng)蒸汽中有灰塵當(dāng)蒸汽中有灰塵(huchn)存在或容器的內(nèi)表面粗糙時，這些物質(zhì)可以作為蒸汽存在或容器的內(nèi)表面粗糙時，這些物質(zhì)可以作為蒸汽凝結(jié)中心，

13、使液核易于生成及長大，在蒸汽的過飽和程度較小的情況下，蒸汽凝結(jié)中心，使液核易于生成及長大，在蒸汽的過飽和程度較小的情況下，蒸汽就開始凝結(jié)。就開始凝結(jié)。2. Kelvin公式的應(yīng)用第25頁/共79頁第二十六頁，共80頁。1. 過飽和蒸汽(zhn q)2. Kelvin公式(gngsh)的應(yīng)用 當(dāng)空氣中的水蒸氣凝結(jié)時，首先形成非常小的液核，在液核存在的基礎(chǔ)當(dāng)空氣中的水蒸氣凝結(jié)時，首先形成非常小的液核，在液核存在的基礎(chǔ)上繼而長大形成大的液滴，從而發(fā)生水蒸氣的凝結(jié)。根據(jù)上繼而長大形成大的液滴，從而發(fā)生水蒸氣的凝結(jié)。根據(jù)(gnj)kelvin公公式：式： 對于初始形成的液核，半徑非常小，其對應(yīng)的飽和蒸汽

14、壓遠遠大于平液面水對于初始形成的液核，半徑非常小，其對應(yīng)的飽和蒸汽壓遠遠大于平液面水的飽和蒸汽壓，所以液核很難形成，從而發(fā)生了空氣中水蒸氣過飽和現(xiàn)象。的飽和蒸汽壓，所以液核很難形成，從而發(fā)生了空氣中水蒸氣過飽和現(xiàn)象。 若在空中存在凝結(jié)中心，若在空中存在凝結(jié)中心， 比如灰塵，比如灰塵， 會使水滴初始凝結(jié)曲率半會使水滴初始凝結(jié)曲率半徑變大，徑變大， 當(dāng)相應(yīng)的飽和蒸氣壓小于高空中有的水蒸氣壓力時，當(dāng)相應(yīng)的飽和蒸氣壓小于高空中有的水蒸氣壓力時， 蒸蒸氣會凝結(jié)成水。人工降雨正是利用種原理，氣會凝結(jié)成水。人工降雨正是利用種原理， 通過向云層通過向云層 中的過飽中的過飽和水氣提供凝聚中心和水氣提供凝聚中心(

15、 例如例如Ag I 微粒微粒) 以達到以達到人工增雨人工增雨的目的。的目的。rMRVPPRT22)ln(0第26頁/共79頁第二十七頁，共80頁。2. 過熱液體 按照(nzho)相平衡條件應(yīng)當(dāng)沸騰而不沸騰的液體。液體液體氣泡氣泡凹液面凹液面r0,PrP0rMRVPPRT22)ln(0凹液面使得氣泡的產(chǎn)生凹液面使得氣泡的產(chǎn)生(chnshng)非常困難。非常困難。為防止過熱，常在液體中投入一些素?zé)善榷嗫仔晕镔|(zhì)為防止過熱，常在液體中投入一些素?zé)善榷嗫仔晕镔|(zhì)(wzh)。其。其孔中儲存有氣體，加熱時這些氣體成為新相種子?？字袃Υ嬗袣怏w，加熱時這些氣體成為新相種子。2. Kelvin公式的應(yīng)用第2

16、7頁/共79頁第二十八頁，共80頁。 液體沸騰時不僅在液體表面進行氣化， 而且在液體內(nèi)部要自動形成小氣泡(qpo)。根據(jù)開爾文公式可知， 對于這樣的氣泡(qpo)其飽和蒸氣壓小于平面液體的飽和蒸氣壓，而且起泡半徑越小，泡內(nèi)飽和蒸氣壓越小。在沸點時， 最初形成的半徑極小的氣泡(qpo)內(nèi)的飽和蒸氣壓遠小于外壓， 因此在外壓的壓迫下，小氣泡(qpo)難以形成，以至液體不易沸騰而形成過熱液體。實踐中， 在液體中加入多孔物質(zhì)， 如沸石便是通過增大最初形成氣泡(qpo)的半徑， 從而避免液體過熱現(xiàn)象。2. Kelvin公式(gngsh)的應(yīng)用rMRVPPRT22)ln(02. 過熱液體 按照相平衡條件應(yīng)

17、當(dāng)沸騰(fitng)而不沸騰(fitng)的液體。第28頁/共79頁第二十九頁，共80頁。3. 過飽和溶液(bo h rn y) 在平衡條件下，應(yīng)當(dāng)有晶體析出而未析出的溶液。rMCCRTls2ln0小晶粒的溶解度大于大晶粒的溶解度。小晶粒的溶解度大于大晶粒的溶解度。2. Kelvin公式(gngsh)第29頁/共79頁第三十頁，共80頁。 溫度一定時，晶體顆粒越小，則 1/r 越大，溶解度也越大。所以當(dāng)溶液在恒溫下濃縮時，溶質(zhì)的濃度逐漸增大，達到普通晶體的飽和濃度時，對微小晶體卻仍未達到飽和狀態(tài)，因而(yn r)不可能析出微小晶體，從而形成過飽和溶液。若要自動生成微小晶體，還需進一步蒸發(fā)，達到

18、一定的過飽和程度時，小晶體才可能不斷析出。2. Kelvin公式(gngsh) 開爾文公式對于溶質(zhì)的溶解度也可適用(shyng)， 只要將公式中的蒸氣壓換成溶質(zhì)的飽和濃度即可， 即微小晶體顆粒的飽和濃度大于普通晶體的飽和濃度。rMCCRTls2ln03. 過飽和溶液 在平衡條件下，應(yīng)當(dāng)有晶體析出而未析出的溶液。第30頁/共79頁第三十一頁，共80頁。3. Gibbs 吸附(xf)等溫式112 (2-47)2ln22cccRTRTTT 表面張力與溶液(rngy)濃度的關(guān)系21表示單位面積上吸附溶質(zhì)的過剩量，單位是mol/cm2。它表示溶質(zhì)的表面濃度(nngd)和本體濃度(nngd)之差。 C2為

19、溶質(zhì)的質(zhì)量摩爾濃度(nngd)或體積摩爾濃度(nngd)。第31頁/共79頁第三十二頁，共80頁。21為正，為正吸附，溶質(zhì)為正，為正吸附，溶質(zhì)(rngzh)的表面濃度大的表面濃度大于本體濃度，即為表面超量；于本體濃度，即為表面超量；21為負，則為負吸附，溶質(zhì)為負，則為負吸附，溶質(zhì)(rngzh)的表面濃度的表面濃度小于本體濃度，即為表面虧量；小于本體濃度，即為表面虧量；3. Gibbs 吸附(xf)等溫式112 (2-47)2ln22cccRTRTTT 表面張力與溶液(rngy)濃度的關(guān)系第32頁/共79頁第三十三頁，共80頁。3. Gibbs 吸附(xf)等溫式表面張力(biominzhngl

20、)與溶液濃度的關(guān)系 像第三類物質(zhì)那樣，加入很少量就能大大降低溶劑像第三類物質(zhì)那樣，加入很少量就能大大降低溶劑的表面的表面(biomin)(biomin)張力，使表面張力，使表面(biomin)(biomin)呈現(xiàn)活性狀呈現(xiàn)活性狀態(tài)的物質(zhì)稱為表面態(tài)的物質(zhì)稱為表面(biomin)(biomin)活性劑?；钚詣?。第33頁/共79頁第三十四頁，共80頁。 表面活性劑的分子結(jié)構(gòu)特點(tdin)及分類 親油基親油基親水基親水基 按親水基類型分類是表面活性劑分類的主要方法第34頁/共79頁第三十五頁，共80頁。 表面(biomin)活性劑的親水親油性能的衡量 親疏(qn sh)平衡值（HLB）相轉(zhuǎn)型(zhu

21、n xn)溫度（PIT）第35頁/共79頁第三十六頁，共80頁。 表面(biomin)活性劑的親疏平衡值（HLB）親疏平衡值（HLB） 表面活性劑都是兩親分子，由于親水和親油基團(j tun)的不同，很難用相同的單位來衡量，所以Griffin提出了用一個相對的值即HLB值來表示表面活性物質(zhì)的親水性。HLB值的大小表示表面活性劑親水親油性的相對大小，HLB值越大，表示該表面活性劑的親水性越強；HLB值越低，則親油性或疏水性越強。 一般來講，指定石蠟的HLB=0，油酸的HLB=1，油酸鉀的HLB=20，十二烷基硫酸(li sun)酯鈉的HLB=40。以此為標(biāo)準(zhǔn)，陰離子表面活性劑HLB在1-40之間

22、，非離子表面活性劑的HLB在1-20之間。第36頁/共79頁第三十七頁，共80頁。（1）非離子(lz)表面活性劑HLB值的確定 對聚氧乙烯型和多元醇型非離子(lz)型表面活性劑:1005親 水 基 分 子 量疏 水 基 分 子 量 親 水 基 分 子 量1005HLB 親 水 基 部 分 分 子 量表 面 活 性 劑 分 子 量（2）其他類型表面(biomin)活性劑HLB值的計算7 (2-4)HLBHL （3）混合表面(biomin)活性劑HLB值的計算 (2-5)AABBABmHLBmHLBHLBmm 表面活性劑的親疏平衡值（HLB）第37頁/共79頁第三十八頁，共80頁。表面活性劑的相轉(zhuǎn)

23、型(zhun xn)溫度（PIT） 非離子型表面活性劑在低溫下可形成水包油型乳狀液，隨著溫度升高(shn o)，非離子型表面活性劑的親水基團（特別是聚氧乙烯鏈）的水合程度隨溫度升高(shn o)而降低，表面活性劑親水性下降，溶解度減小，HLB值下降，最后達到某一溫度，使得乳狀液從原來的水包油型轉(zhuǎn)變?yōu)橛桶汀＿@一溫度稱為相轉(zhuǎn)型溫度PIT。第38頁/共79頁第三十九頁，共80頁。表面活性劑的親水性越強，PIT越高。越容易溶解非離子表面活性劑的油，其PIT值越低。PIT與HLB的關(guān)系近乎直線。HLB值大，其親水性強，其PIT越高，故需在較高的溫度下才能(cinng)轉(zhuǎn)相。PIT的測定可用電導(dǎo)法。表

24、面(biomin)活性劑的相轉(zhuǎn)型溫度（PIT）第39頁/共79頁第四十頁，共80頁。 表面活性劑的臨界(ln ji)膠束濃度（CMC） 少量活性劑的加入可使水的表面張力迅速下降，但到某一濃度(nngd)后，水溶液的表面張力幾乎不變。這個表面張力轉(zhuǎn)折點的濃度(nngd)稱為臨界膠束濃度(nngd)（CMC）。表面活性劑達到(d do)形成單分子膜的最低濃度；表面活性劑溶液中開始形成膠束的最低濃度第40頁/共79頁第四十一頁，共80頁。 表面(biomin)活性劑的臨界膠束濃度（CMC）表面表面(biomin)活性劑濃度變大活性劑濃度變大C CMC溶液中的分子的憎水基相互吸溶液中的分子的憎水基相互

25、吸引，分子自發(fā)聚集，形成球狀、引，分子自發(fā)聚集，形成球狀、層狀膠束，將憎水基埋在膠束層狀膠束，將憎水基埋在膠束內(nèi)部內(nèi)部第41頁/共79頁第四十二頁，共80頁。臨界膠束濃度的影響(yngxing)因素：親油因素(yn s)使CMC下降；親水因素(yn s)使CMC增加 表面活性劑的臨界(ln ji)膠束濃度（CMC）親油基親油基親水基親水基第42頁/共79頁第四十三頁，共80頁。1. 親油因素：疏水基的影響親油因素：疏水基的影響2. 在在C8C16范圍內(nèi)，表面范圍內(nèi)，表面(biomin)活性劑活性劑3. 疏水基烴鏈長度增加，疏水基烴鏈長度增加，CMC4. 下降。下降。 表面活性劑的臨界(ln j

26、i)膠束濃度（CMC）第43頁/共79頁第四十四頁，共80頁。2. 親水基的影響親水基的影響親水基團親水基團(j tun)越多，越多，CMC值越大，值越大，親水基種類對親水基種類對CMC影響不大。影響不大。開始時CMC隨溫度升高(shn o)而下降，中間經(jīng)過一最小值，然后隨溫度升高(shn o)而增大。3. 溫度(wnd)的影響 表面活性劑的臨界膠束濃度（CMC）第44頁/共79頁第四十五頁，共80頁。4. 其它因素的影響其它因素的影響（1）電解質(zhì)的影響，添加）電解質(zhì)的影響，添加(tin ji)電解質(zhì)使電解質(zhì)使CMC下降。下降。（2）有機物的加入。）有機物的加入。 表面(biomin)活性劑的

27、臨界膠束濃度（CMC）第45頁/共79頁第四十六頁，共80頁。表面(biomin)活性劑的膠束 兩親分子溶解在水中達一定濃度時，其非極性部分會互相吸引，從而使得分子自發(fā)形成有序的聚集體，使憎水基向里、親水基向外，減小了憎水基與水分子的接觸，使體系能量(nngling)下降，這種多分子有序聚集體稱為膠束。 隨著(su zhe)親水基不同和濃度不同，形成的膠束可呈現(xiàn)棒狀、層狀或球狀等多種形狀。 第46頁/共79頁第四十七頁，共80頁。表面活性劑溶液(rngy)中形成的膠團結(jié)構(gòu)表面(biomin)活性劑的膠束 第47頁/共79頁第四十八頁，共80頁。表面(biomin)活性劑的重要作用潤濕(rn s

28、h)作用：農(nóng)藥，浮游選礦乳化(rhu)作用：化妝品分散作用：納米材料的合成起泡與消泡：食品添加劑增溶作用：水不溶性或微溶性物質(zhì)在膠束溶液中的溶解度可顯著增加洗滌作用：洗漱用品，洗滌劑第48頁/共79頁第四十九頁，共80頁。4. Young方程(fngchng)在氣、液、固三相交界點，自固-液界面經(jīng)過液體內(nèi)部到氣-液界面的夾角(ji jio)稱為接觸角，通常用q表示。cos液氣固液固氣cos液氣固液固氣cos液氣固液固氣cos液氣固液固氣第49頁/共79頁第五十頁，共80頁。 黏附(ninf)潤濕： Wa = 固氣- 固液 + 液氣 浸濕： A = 固氣- 固液 鋪展?jié)櫇瘢?Sl/s = 固氣-

29、 固液 - 液氣 潤濕過程潤濕過程(guchng)的三種類型：的三種類型：4. Young方程(fngchng)第50頁/共79頁第五十一頁，共80頁。 黏附潤濕(rn sh)： Wa = 固氣- 固液 + 液氣 浸濕： A = 固氣- 固液 鋪展?jié)櫇?rn sh)： Sl/s = 固氣- 固液 - 液氣4. Young方程(fngchng)對于(duy)同一系統(tǒng)，三種潤濕可依次表示為WaASl/s。換言之，若SL/S0，必有WaA0，也就是說，凡是能鋪展?jié)櫇竦谋啬苷掣綕櫇窈徒?，反之則未必。因此鋪展是潤濕程度最高的一種潤濕。為什么說鋪展是潤濕的最高形式？為什么說鋪展是潤濕的最高形式？第51頁/共79頁第五十二頁，共80頁。借助(ji