第四章 固-液界面-北航-表面與界面化學(xué)教程

1、第四章第四章 固固-液界面液界面1.1.液體對固體的潤濕作用液體對固體的潤濕作用2.2.固體自溶液中的吸附固體自溶液中的吸附一一. 固固液界面（潤濕作用）液界面（潤濕作用）潤濕作用是指在固體表面上一種液體取代另一種與之潤濕作用是指在固體表面上一種液體取代另一種與之不相混溶液體的過程。不相混溶液體的過程。潤濕過程必然涉及三相，其中有兩相是液體。潤濕過程必然涉及三相，其中有兩相是液體。常見的潤濕現(xiàn)象是固體表面上的氣體被液體取代的過常見的潤濕現(xiàn)象是固體表面上的氣體被液體取代的過程。程。潤濕現(xiàn)象是固體表面結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，液體的性質(zhì)以及固潤濕現(xiàn)象是固體表面結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，液體的性質(zhì)以及固液界面分子間相互作用等微

2、觀特性的宏觀結(jié)果。液界面分子間相互作用等微觀特性的宏觀結(jié)果。影響固體表面浸潤性的因素主要有兩個：影響固體表面浸潤性的因素主要有兩個：一是表面自由能，一是表面自由能， 二是表面微觀結(jié)構(gòu)。二是表面微觀結(jié)構(gòu)。下面分別就這兩方面進(jìn)行討論，并由此引下面分別就這兩方面進(jìn)行討論，并由此引出特殊浸潤性的涵義及其與上述兩者之間出特殊浸潤性的涵義及其與上述兩者之間的關(guān)系。的關(guān)系。 固體表面的浸潤性固體表面的浸潤性1. 沾濕沾濕 浸濕和鋪展浸濕和鋪展（1）沾濕：將氣液界面與氣固界面變?yōu)楣桃航缑娴倪^程）沾濕：將氣液界面與氣固界面變?yōu)楣桃航缑娴倪^程 在等溫等壓條件下，在等溫等壓條件下，單位面積的液面與固體單位面積的液面

3、與固體表面沾濕時，該過程的吉布斯函數(shù)變化為：表面沾濕時，該過程的吉布斯函數(shù)變化為：al sg lg-s()WG sglgslG粘附功，是液固沾濕時體系對外所作的最大功粘附功，是液固沾濕時體系對外所作的最大功，它是液體能它是液體能否潤濕固體的一種量度。粘附功越大，液體越能潤濕固體，否潤濕固體的一種量度。粘附功越大，液體越能潤濕固體，液液-固結(jié)合得越牢。固結(jié)合得越牢。液固氣固氣液令令0aW是液體沾濕固體的條件是液體沾濕固體的條件（2）浸濕）浸濕 是將固體完全浸入到液體中的過程。是是將固體完全浸入到液體中的過程。是將氣固界面變?yōu)橐汗探缑娴倪^程，而液體表面在這將氣固界面變?yōu)橐汗探缑娴倪^程，而液體表面在

4、這個過程中沒有變化。個過程中沒有變化。 等溫、等壓條件下，將具有單位表面積的固等溫、等壓條件下，將具有單位表面積的固體可逆地浸入液體中所作的最大功稱為浸濕功，體可逆地浸入液體中所作的最大功稱為浸濕功，它是液體在固體表面取代氣體能力的一種量度。它是液體在固體表面取代氣體能力的一種量度。 只有浸濕功大于或等于零，液體才能自動浸只有浸濕功大于或等于零，液體才能自動浸濕固體。浸濕功越大，則液體在固體表面上取代濕固體。浸濕功越大，則液體在固體表面上取代氣體的能力越強。浸濕功在潤濕作用中又稱為粘氣體的能力越強。浸濕功在潤濕作用中又稱為粘附張力，用附張力，用A A表示。表示。il sg-si()0WGW 能

5、浸濕。還有一種特殊的浸濕過程還有一種特殊的浸濕過程-多孔性固體表面的多孔性固體表面的浸濕過程，常稱為滲透過程。浸濕過程，常稱為滲透過程。與毛細(xì)現(xiàn)象有關(guān)，其驅(qū)動力是由彎曲液面而產(chǎn)與毛細(xì)現(xiàn)象有關(guān)，其驅(qū)動力是由彎曲液面而產(chǎn)生的附加壓力。生的附加壓力。（3）鋪展）鋪展 是固液界面取代氣固界面的過程，同時還是固液界面取代氣固界面的過程，同時還擴(kuò)大了氣液界面。擴(kuò)大了氣液界面。鋪展系數(shù)鋪展系數(shù)(spreading coefficient) 等溫、等壓條件下，單位面積的液固界面取等溫、等壓條件下，單位面積的液固界面取代了單位面積的氣固界面并產(chǎn)生了單位面積的氣代了單位面積的氣固界面并產(chǎn)生了單位面積的氣液界面，這

6、過程表面自由能變化值的負(fù)值稱為鋪液界面，這過程表面自由能變化值的負(fù)值稱為鋪展系數(shù)，用展系數(shù)，用S S表示。若表示。若S S00，說明液體可以在固體，說明液體可以在固體表面自動鋪展。表面自動鋪展。l-sl-gs-g()SG lgilgaASAWAW說明三種潤濕過程均與粘附張力有關(guān)。說明三種潤濕過程均與粘附張力有關(guān)。對于同一體系對于同一體系SWWia因此，只要因此，只要S0，即能自動鋪展的體系，其他潤濕過程皆，即能自動鋪展的體系，其他潤濕過程皆能自發(fā)進(jìn)行。因此常用鋪展系數(shù)作為體系潤濕性能的表征。能自發(fā)進(jìn)行。因此常用鋪展系數(shù)作為體系潤濕性能的表征。由于液固和氣固界面張力不能測定，只有氣液界面張力可以

7、由于液固和氣固界面張力不能測定，只有氣液界面張力可以由實驗測出，因此上述分析在實際應(yīng)用中遇到困難。由實驗測出，因此上述分析在實際應(yīng)用中遇到困難。-接接觸角觸角2. 接觸角接觸角(contact angle)將少量液體滴加于固體表面上，液體可能形成液滴。在達(dá)將少量液體滴加于固體表面上，液體可能形成液滴。在達(dá)到平衡時，處在某種固體表面上的某種液體，會保持一定到平衡時，處在某種固體表面上的某種液體，會保持一定的液滴形狀。的液滴形狀。 接觸角是在氣、液、固三相交界點，液體的接觸角是在氣、液、固三相交界點，液體的表面張力與液表面張力與液- -固界面張力之間的夾角，通常用固界面張力之間的夾角，通常用 表示

8、。表示。g- ls - lg- scos 接觸角的大小可以用實接觸角的大小可以用實驗測量，也可以用公式計算：驗測量，也可以用公式計算：潤濕方程，楊氏方程潤濕方程，楊氏方程 (Youngs Equation)應(yīng)用條件是理想表面，即固體表面組成均勻，平滑，不變應(yīng)用條件是理想表面，即固體表面組成均勻，平滑，不變形，各向同性形，各向同性) 1(coscos) 1(coslglgilgaSAWW0,180aW0,90A0,0S 沾濕自發(fā)進(jìn)行沾濕自發(fā)進(jìn)行 浸濕自發(fā)進(jìn)行浸濕自發(fā)進(jìn)行 鋪展自發(fā)進(jìn)行鋪展自發(fā)進(jìn)行 若接觸角大于若接觸角大于9090，說明液體不能潤濕固體，說明液體不能潤濕固體，如汞在玻璃表面；如汞在

9、玻璃表面； 若接觸角小于若接觸角小于9090，液體能潤濕固體，如水，液體能潤濕固體，如水在潔凈的玻璃表面。在潔凈的玻璃表面。實用時，以實用時，以9090為界：為界： 若接觸角等于若接觸角等于0 0或不存在平衡接觸角時，說或不存在平衡接觸角時，說明液體能鋪展明液體能鋪展?jié)B透過程？滲透過程？3. 接觸角的測定接觸角的測定1、角度測量法角度測量法 是一類應(yīng)用最廣、較方便簡單、最直接的方法。其原是一類應(yīng)用最廣、較方便簡單、最直接的方法。其原理是用量角器直接量出三相交界處流動界面與固體平理是用量角器直接量出三相交界處流動界面與固體平面的夾角。主要做法有投影法、攝影法、顯微量角法、面的夾角。主要做法有投影

10、法、攝影法、顯微量角法、斜板法和光點反射法。斜板法和光點反射法。 （1 1）投影和攝影法）投影和攝影法 （2 2）顯微量角法）顯微量角法 用一安裝有量角器和叉絲的低倍顯微鏡觀察液面，直用一安裝有量角器和叉絲的低倍顯微鏡觀察液面，直接讀出角度。接讀出角度。 （3 3）斜板法）斜板法 原理是將固體板插入液體中，當(dāng)板面原理是將固體板插入液體中，當(dāng)板面與液面的夾角恰為接觸角時，液面一直延伸至三相交與液面的夾角恰為接觸角時，液面一直延伸至三相交界處而不出現(xiàn)彎曲，此夾角即為接觸角。界處而不出現(xiàn)彎曲，此夾角即為接觸角。 （4 4）光點反射法）光點反射法 原理是利用一個點光源照射到小液滴上，并在光源處觀察反原

11、理是利用一個點光源照射到小液滴上，并在光源處觀察反射光，當(dāng)入射光與液面垂直時，才能在液面看到反射光。測射光，當(dāng)入射光與液面垂直時，才能在液面看到反射光。測定時，使光點落在三相點位，并以此為中心，改變?nèi)肷涔饨嵌〞r，使光點落在三相點位，并以此為中心，改變?nèi)肷涔饨嵌龋怪诠腆w表面的法平面中作圓周運動，當(dāng)光線在某位度，使之在固體表面的法平面中作圓周運動，當(dāng)光線在某位置突然變亮?xí)r，入射光與固體平面法線的夾角即為接觸角，置突然變亮?xí)r，入射光與固體平面法線的夾角即為接觸角，此方法有較好的測量精度，可用于測定纖維的接觸角，缺點此方法有較好的測量精度，可用于測定纖維的接觸角，缺點是只能測定小于是只能測定小于9

12、090的接觸角。的接觸角。 2、長度測量法、長度測量法 （1）小滴法）小滴法 測量在固體平面上小液滴的高度和寬度，根據(jù)測量在固體平面上小液滴的高度和寬度，根據(jù) 可求出可求出，此法假設(shè)液滴是球形的一部分。因此，只有在，此法假設(shè)液滴是球形的一部分。因此，只有在液滴很小，重力的影響可略時才能應(yīng)用。液滴很小，重力的影響可略時才能應(yīng)用。 （2）液餅法）液餅法 將液體加于平固體表面使之成為液滴，不斷增加液體量將液體加于平固體表面使之成為液滴，不斷增加液體量至滴高達(dá)最大（即高度不變）此時若再加入液體則往兩邊至滴高達(dá)最大（即高度不變）此時若再加入液體則往兩邊擴(kuò)展（擴(kuò)展（r變大），設(shè)平衡液滴是半徑為變大），設(shè)平

13、衡液滴是半徑為r，體積為，體積為V的圓形的圓形液餅，當(dāng)外界給予液餅液餅，當(dāng)外界給予液餅微擾，在保持體積不變的情況下，微擾，在保持體積不變的情況下，其高度下降其高度下降h，半徑擴(kuò)大，半徑擴(kuò)大r，最后體系又達(dá)平衡，由，最后體系又達(dá)平衡，由于此過程中，體系勢能減少，但表面自由能增加，且兩者于此過程中，體系勢能減少，但表面自由能增加，且兩者數(shù)值相等。數(shù)值相等。 tan()2hr2222222, ()22()20, 22, ()2(cos1) cos122s lg lgss lg lgsmmms lg lgsmmmmg lg lVg hAr rAVg hr rVAhA hr rhrhghrhVhr rh

14、hghgh （3）垂片法）垂片法 將一固體片垂直插入液體中液體沿片上升的高度與將一固體片垂直插入液體中液體沿片上升的高度與之間有如下關(guān)系。之間有如下關(guān)系。 當(dāng)當(dāng)、l-g已知，只要測出已知，只要測出h，便可得，便可得。2sin12lggh3、力測量法、力測量法 應(yīng)用吊片法裝置亦可測應(yīng)用吊片法裝置亦可測，當(dāng)?shù)跗媒佑|液面時，液，當(dāng)?shù)跗媒佑|液面時，液體作用于吊片的力體作用于吊片的力 f為為4、透過測量法、透過測量法 主要用于固體粉末接觸角的測量，其基本原理是，固體主要用于固體粉末接觸角的測量，其基本原理是，固體粒子間的空隙，相當(dāng)于一束毛細(xì)管，毛細(xì)作用使液體透粒子間的空隙，相當(dāng)于一束毛細(xì)管，毛細(xì)

15、作用使液體透入粉末中，由于毛細(xì)作用與液體的表面張力和對固體的入粉末中，由于毛細(xì)作用與液體的表面張力和對固體的接觸角有關(guān)，故通過測定某種已知表面張力的液體在固接觸角有關(guān)，故通過測定某種已知表面張力的液體在固體粉末中的透過，可得到接觸角體粉末中的透過，可得到接觸角。 cos coslglgffPP（1）透過高度法）透過高度法 固體粉末裝在一以多孔板為底的玻管中，液面在毛細(xì)作用固體粉末裝在一以多孔板為底的玻管中，液面在毛細(xì)作用下沿管中粉末柱上升下沿管中粉末柱上升h。 由上式可見，只要測得粉末間孔隙的平均半徑由上式可見，只要測得粉末間孔隙的平均半徑r及透過高度及透過高度h，即可結(jié)合已知的，即可結(jié)合已知

16、的 求求。但由于。但由于r值無法直接測定，故值無法直接測定，故常用一已知表面張力，密度和對粉末接觸角常用一已知表面張力，密度和對粉末接觸角為為0的液體來的液體來標(biāo)定。標(biāo)定。2cos cos2lglgghrghrl g0000002 cos =l gl gl ghrghh通過測定通過測定h h、h h0 0可求得可求得。使用此方法應(yīng)注意粒子的均勻性及。使用此方法應(yīng)注意粒子的均勻性及裝填情況裝填情況。（2 2）透過速度法）透過速度法 5.5.影響影響接觸角測定的因素接觸角測定的因素 前面介紹了一些常用的測定接觸角的方法，實施時應(yīng)注意以前面介紹了一些常用的測定接觸角的方法，實施時應(yīng)注意以下兩個問題：

17、平衡時間和體系溫度的恒定，當(dāng)體系未達(dá)平衡下兩個問題：平衡時間和體系溫度的恒定，當(dāng)體系未達(dá)平衡時，接觸角會變化，這時的接觸角稱為動接觸角，動接觸角時，接觸角會變化，這時的接觸角稱為動接觸角，動接觸角研究對于一些粘度較大的液體在固體平面上的流動或鋪展有研究對于一些粘度較大的液體在固體平面上的流動或鋪展有重要意義（因粘度大，平衡時間長）。同時，對于溫度變化重要意義（因粘度大，平衡時間長）。同時，對于溫度變化較大的體系，由于表面張力的變化，接觸角也會變化，因此，較大的體系，由于表面張力的變化，接觸角也會變化，因此，若一已達(dá)平衡的體系，接觸角的變化，可能與溫度變化有關(guān)，若一已達(dá)平衡的體系，接觸角的變化，

18、可能與溫度變化有關(guān)，簡單判斷影響因素的方法是，平衡時間的影響一般是單方向簡單判斷影響因素的方法是，平衡時間的影響一般是單方向的，而溫度的波動可能造成的，而溫度的波動可能造成的升高或降低。除平衡時間和的升高或降低。除平衡時間和溫度外，影響接觸角穩(wěn)定的因素還有溫度外，影響接觸角穩(wěn)定的因素還有接觸角滯后和吸附作用接觸角滯后和吸附作用。 4. 非理想固體表面的接觸角非理想固體表面的接觸角（1）Wenzel模型模型將一液滴置于一個粗糙表面上，液體在固體表面上將一液滴置于一個粗糙表面上，液體在固體表面上的真實接觸角幾乎是無法測定的，實驗所測得的只的真實接觸角幾乎是無法測定的，實驗所測得的只是其表觀接觸角是

19、其表觀接觸角 dx 氣液lgslsgr/ )(cos粗糙因子（粗糙度）：是固體的粗糙因子（粗糙度）：是固體的真實表面積與相同體積固體假想真實表面積與相同體積固體假想的平滑表面積之比。顯然，的平滑表面積之比。顯然，r大大于等于于等于1. r越大，表面越粗糙。越大，表面越粗糙。Wenzel方程方程與與Youngs方程比較：方程比較：1coscosrWenzel方程的重要性是說明了表面粗糙化對接觸角的方程的重要性是說明了表面粗糙化對接觸角的影響：影響： 90, 90, , 表面粗糙化會使?jié)櫇竦捏w系更不表面粗糙化會使?jié)櫇竦捏w系更不潤濕。潤濕。 揭示了均相粗糙表面的表觀接觸角與本征接觸角之間揭示了均相粗

20、糙表面的表觀接觸角與本征接觸角之間的關(guān)系的關(guān)系 注意：注意：Wenzel方程只適用于熱力學(xué)穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，方程只適用于熱力學(xué)穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，但由于表面不均勻，液體在表面上展開時需要克服一但由于表面不均勻，液體在表面上展開時需要克服一系列由于起伏不平而造成的勢壘。當(dāng)液滴振動能小于系列由于起伏不平而造成的勢壘。當(dāng)液滴振動能小于這種勢壘時，液滴不能達(dá)到這種勢壘時，液滴不能達(dá)到Wenzel方程所要求的平方程所要求的平衡狀態(tài)而可能處于某種亞穩(wěn)平衡狀態(tài)。衡狀態(tài)而可能處于某種亞穩(wěn)平衡狀態(tài)。（2）Cassie模型模型Cassie和和Baxter進(jìn)一步拓展了進(jìn)一步拓展了Wenzel的處理，提出的處理，提出可以將

21、粗糙不均勻的固體表面設(shè)想為一個復(fù)合表面，即認(rèn)可以將粗糙不均勻的固體表面設(shè)想為一個復(fù)合表面，即認(rèn)為液滴在粗糙表面上的接觸是一種復(fù)合接觸。為液滴在粗糙表面上的接觸是一種復(fù)合接觸。設(shè)固體表面有物質(zhì)設(shè)固體表面有物質(zhì)1和和2組成，這兩種不同成分的表面是組成，這兩種不同成分的表面是以極小塊的形式均勻分布在表面上的（每一小塊的面積遠(yuǎn)以極小塊的形式均勻分布在表面上的（每一小塊的面積遠(yuǎn)小于液滴的尺寸）。它們的本征接觸角分別用小于液滴的尺寸）。它們的本征接觸角分別用 1和和 2表示，表示，在單位面積上所占的表面積分?jǐn)?shù)分別為在單位面積上所占的表面積分?jǐn)?shù)分別為f1和和f2(f1+f2=1)。又設(shè)當(dāng)液滴在表面展開時兩種

22、表面所占的分?jǐn)?shù)不變。這時又設(shè)當(dāng)液滴在表面展開時兩種表面所占的分?jǐn)?shù)不變。這時可得到：可得到：當(dāng)固體表面由不同種類的化學(xué)物質(zhì)組成時，如污染或多晶？當(dāng)固體表面由不同種類的化學(xué)物質(zhì)組成時，如污染或多晶？2211coscoscosff2211)()(cosslsgslsglgff或或Cassie-Baxter方程方程當(dāng)表面結(jié)構(gòu)疏水性較強時，在疏水表面上的液滴并不能填當(dāng)表面結(jié)構(gòu)疏水性較強時，在疏水表面上的液滴并不能填滿粗糙表面上的凹槽，在液滴下將有截留的空氣存在，于滿粗糙表面上的凹槽，在液滴下將有截留的空氣存在，于是表觀上的液是表觀上的液-固接觸面其實由固體和氣體共同組成。固接觸面其實由固體和氣體共同組成

23、。此時此時f2為多孔的分?jǐn)?shù)或截留空氣部分的表觀面積分?jǐn)?shù)，由為多孔的分?jǐn)?shù)或截留空氣部分的表觀面積分?jǐn)?shù)，由于空氣對水的接觸角于空氣對水的接觸角 2=180，因此：，因此：211coscosff注意：上述的這些公式是經(jīng)驗性和模型化的結(jié)果。事實上，注意：上述的這些公式是經(jīng)驗性和模型化的結(jié)果。事實上，固體表面不一定符合公式所描述的情況，因為它與表面的形固體表面不一定符合公式所描述的情況，因為它與表面的形貌有關(guān)。貌有關(guān)。表面的粗糙度因子存在一個臨界值，超過這一表面的粗糙度因子存在一個臨界值，超過這一臨界值，固體的表面浸潤性會從臨界值，固體的表面浸潤性會從Wenzel態(tài)轉(zhuǎn)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樽優(yōu)镃assie態(tài)。態(tài)。表面

24、粗糙度越大，表面粗糙度越大，Cassie態(tài)和態(tài)和Wenzel態(tài)之態(tài)之間的能壘越高，間的能壘越高，Cassie態(tài)越穩(wěn)定。態(tài)越穩(wěn)定。5. 親水與疏水表面的新界限親水與疏水表面的新界限-約約65事實上，界面上和體相中水結(jié)構(gòu)及活性是不同的，它們事實上，界面上和體相中水結(jié)構(gòu)及活性是不同的，它們隨接觸面的變化而變化。隨接觸面的變化而變化。由于邊界水和體相水在自交聯(lián)方面的不同，至少存在兩由于邊界水和體相水在自交聯(lián)方面的不同，至少存在兩種截然不同的水的結(jié)構(gòu)和相互作用：一個是相對密度較種截然不同的水的結(jié)構(gòu)和相互作用：一個是相對密度較小的水區(qū)域，通過開放的氫鍵網(wǎng)絡(luò)形成疏水表面；一個小的水區(qū)域，通過開放的氫鍵網(wǎng)絡(luò)形

25、成疏水表面；一個是相對密度較大的水區(qū)域，通過倒塌的氫鍵網(wǎng)絡(luò)形成親是相對密度較大的水區(qū)域，通過倒塌的氫鍵網(wǎng)絡(luò)形成親水表面。水表面。通過實驗研究表面張力與水的黏附力之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)通過實驗研究表面張力與水的黏附力之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)了了65這個臨界狀態(tài)。當(dāng)表面的接觸角小于這個臨界狀態(tài)。當(dāng)表面的接觸角小于65時，時，表現(xiàn)為排斥力。表現(xiàn)為排斥力。6. 特殊浸潤性表面的結(jié)構(gòu)效應(yīng)特殊浸潤性表面的結(jié)構(gòu)效應(yīng)（1）微米）微米-納米多級結(jié)構(gòu)納米多級結(jié)構(gòu)GasSolidBarthott. W. N et al Classification and terminology of Plant epicuticular Wa

26、xes Botanical of the Linnean Society 126, 237 (1998)Droplet on rough surfaceLotus : T= 140 90o荷葉表面的微納米多級結(jié)構(gòu)荷葉表面的微納米多級結(jié)構(gòu) 1 m分形模擬分形模擬n=1 L= 3 um l= 10 umn=4 L= 100 nm l= 10 um 221coscosflLfDfnL l a = 140 a = 160 oo界面材料的尺寸效果與接觸角的關(guān)系界面材料的尺寸效果與接觸角的關(guān)系Patankar對荷葉結(jié)構(gòu)效應(yīng)從理論上進(jìn)行了模擬，以粗糙表對荷葉結(jié)構(gòu)效應(yīng)從理論上進(jìn)行了模擬，以粗糙表面的面的Wen

27、zel方程和方程和Cassie方程為理論基礎(chǔ)構(gòu)建了一種方程為理論基礎(chǔ)構(gòu)建了一種“具有二級復(fù)合結(jié)構(gòu)的柱形溝槽模型具有二級復(fù)合結(jié)構(gòu)的柱形溝槽模型”利用利用Wenzel方程，接觸角與柱高度有關(guān)方程，接觸角與柱高度有關(guān)利用利用Cassie方程，接觸角與柱高度無關(guān)方程，接觸角與柱高度無關(guān)模擬荷葉效應(yīng)需要以下兩個條件：模擬荷葉效應(yīng)需要以下兩個條件：在二級結(jié)構(gòu)層次上形成按照在二級結(jié)構(gòu)層次上形成按照Cassie方程的方程的假設(shè)形成的假設(shè)形成的“復(fù)合水滴復(fù)合水滴”，這樣才能保證有，這樣才能保證有較小的滾動角。因為按照較小的滾動角。因為按照Wenzel方程形成方程形成的的“浸潤水滴浸潤水滴”的滾動角較的滾動角較“

28、復(fù)合水滴復(fù)合水滴”大大得多。得多。需要一個明顯很大的需要一個明顯很大的“復(fù)合水滴復(fù)合水滴”的接觸角。的接觸角。因此構(gòu)建的粗糙表面的幾何參數(shù)應(yīng)該使得因此構(gòu)建的粗糙表面的幾何參數(shù)應(yīng)該使得“復(fù)合水滴復(fù)合水滴”具有比具有比“浸潤水滴浸潤水滴”更小的能更小的能量。量。L/G/SL/G/S有著多級結(jié)構(gòu)的表面能夠使任何材料構(gòu)成的表面變得不有著多級結(jié)構(gòu)的表面能夠使任何材料構(gòu)成的表面變得不可潤濕。即在親水材料表面構(gòu)筑多級結(jié)構(gòu)也可能得到疏可潤濕。即在親水材料表面構(gòu)筑多級結(jié)構(gòu)也可能得到疏水表面。此時表面的微結(jié)構(gòu)能夠使液滴在表面懸掛，這水表面。此時表面的微結(jié)構(gòu)能夠使液滴在表面懸掛，這是一種處于亞穩(wěn)態(tài)的是一種處于亞穩(wěn)態(tài)

29、的Cassie狀態(tài)，是狀態(tài)，是Wenzel與與Cassie共存的狀態(tài)。共存的狀態(tài)。如果克服從如果克服從Wenzel到到Cassie狀態(tài)的勢壘，就可以實現(xiàn)狀態(tài)的勢壘，就可以實現(xiàn)利用親水材料制備疏水甚至超疏水表面。利用親水材料制備疏水甚至超疏水表面。7.特殊浸潤性表面的尺寸效應(yīng)特殊浸潤性表面的尺寸效應(yīng)疏水性基團(tuán)的相互作用，也就是水中非極性基團(tuán)間有效疏水性基團(tuán)的相互作用，也就是水中非極性基團(tuán)間有效地相互吸引，在液態(tài)環(huán)境下對介觀尺度的組裝和生物結(jié)地相互吸引，在液態(tài)環(huán)境下對介觀尺度的組裝和生物結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性起著重要的作用。構(gòu)的穩(wěn)定性起著重要的作用。在水中疏水單元沒有氫鍵，并且在在水中疏水單元沒有氫鍵，并且

30、在水分子濃度消失的區(qū)域產(chǎn)生了一定水分子濃度消失的區(qū)域產(chǎn)生了一定的體積空間的體積空間solidDavid Chandler J. Phys. Chem. B 1999, 103, 4570Dc 2 2/n | | |l l gSolidWaterGas兩個疏水性薄板平行置于水中，當(dāng)它們之間的距離大于臨界值時，這兩個兩個疏水性薄板平行置于水中，當(dāng)它們之間的距離大于臨界值時，這兩個薄板之間沒有薄層空氣產(chǎn)生。當(dāng)薄板之間沒有薄層空氣產(chǎn)生。當(dāng)DDc時，這兩個薄板之間水的氫鍵大量時，這兩個薄板之間水的氫鍵大量減少，即使水從其間排除，產(chǎn)生了很薄的空氣層。因此，薄板之間的距離減少，即使水從其間排除，產(chǎn)生了很薄的

31、空氣層。因此，薄板之間的距離是十分重要的參數(shù)。是十分重要的參數(shù)。薄板的距離與單位面積自由能的關(guān)系薄板的距離與單位面積自由能的關(guān)系碳納米管陣列類荷葉結(jié)構(gòu)碳納米管陣列類荷葉結(jié)構(gòu)Papillae 3-7 md=72.1nm D=361.8nm =7.07108fibers/cm2 PVA nano-fibers 利用親水材料制備超疏水表面利用親水材料制備超疏水表面Angew. Chem. Int. Ed. 2003. 42(7) 800CA=72CA=171Flat surfaceNanofiber surfaceSelf-assembling of Super-hydrophobic polyme

32、r films （One-step Coating)Advanced Materials 2004, 16, 302 - 305CA = 166.4SA = 1-2Advanced Materials 2004，16，302-305 (C&E news) Tube-like anodicalumina templatepolymer substrateNanostructures-induced Permanent Hydrophobic Surface from Hydrophilic Polymer(a)(b)heatersmoothpolymer filmpatternedpol

33、ymer film(a) 平滑平滑PC薄膜薄膜 （ b）PC柱狀陣列薄膜柱狀陣列薄膜. CA= 145.6(a)CA = 85.7(b)The profile of a water drop on (a) sheet PC nanopillar arrays with a rough surface (a) a native PC with a smooth surface. 蟬的翅膀蟬的翅膀荷葉表面超疏水性質(zhì)的原位觀察荷葉表面超疏水性質(zhì)的原位觀察水下水下8. 接觸角滯后接觸角滯后靜態(tài)接觸角靜態(tài)接觸角動態(tài)接觸角：液滴在微小作用下的運動情況。接觸角滯后動態(tài)接觸角：液滴在微小作用下的運動情況。接觸

34、角滯后a a滾動角滾動角液滴在固體表面的動態(tài)行為可分為液滴在固體表面的動態(tài)行為可分為3種：滑動，滾動和種：滑動，滾動和粘滯粘滯滾動滾動粘滯粘滯滑動滑動 PS nano-tubes高粘滯的超疏水表面高粘滯的超疏水表面Advanced Materials 2005, 17,1977Nature 2005, 436, 471無損失液體輸運無損失液體輸運01230.00.51.01.52.0gHeight(cm)C yclesJ. Am. Chem. Soc. 2006, 129, 1478前進(jìn)接觸角和后退接觸角前進(jìn)接觸角和后退接觸角理想表面：往液滴理想表面：往液滴上加少量液體，則上加少量液體，則液滴

35、周界的前沿向液滴周界的前沿向前拓展，但仍保持前拓展，但仍保持原來的接觸角。從原來的接觸角。從液滴中抽去少量液液滴中抽去少量液體，則液滴的周界體，則液滴的周界前沿向后收縮，但前沿向后收縮，但仍維持原來的接觸仍維持原來的接觸角。角。粗糙表面：往液滴粗糙表面：往液滴上加少量液體，只上加少量液體，只會使液滴變高，周會使液滴變高，周界不動，接觸角變界不動，接觸角變大，前進(jìn)角。大，前進(jìn)角。若取出少量液體，若取出少量液體，液滴在周界不動的液滴在周界不動的情況下變得更平坦，情況下變得更平坦，接觸角變小，后退接觸角變小，后退角。角。在傾斜面上，同樣可以看到液體的前進(jìn)角和后退角。在傾斜面上，同樣可以看到液體的前進(jìn)

36、角和后退角。前進(jìn)接觸角與后退接觸角之差稱為接觸角滯后（前進(jìn)接觸角與后退接觸角之差稱為接觸角滯后（A-R），滾），滾動角動角前進(jìn)角是在增加液滴體積時液滴與固體表面接觸的三相將要前進(jìn)角是在增加液滴體積時液滴與固體表面接觸的三相將要移動而沒有移動那一狀態(tài)的接觸角，可以理解為下滑時液滴移動而沒有移動那一狀態(tài)的接觸角，可以理解為下滑時液滴前坡面所必須增加到的角度，否則不會發(fā)生運動。后退角是前坡面所必須增加到的角度，否則不會發(fā)生運動。后退角是指在縮小液滴體積時液滴與固體表面接觸的三相線將動而未指在縮小液滴體積時液滴與固體表面接觸的三相線將動而未動狀態(tài)的接觸角，可以理解為下滑時液滴后坡面所必須降低動狀態(tài)的接

37、觸角，可以理解為下滑時液滴后坡面所必須降低到的角度，否則后坡面不會移動。到的角度，否則后坡面不會移動。接觸角滯后的影響因素接觸角滯后的影響因素1.1.表面不均勻性和多相性滯后表面不均勻性和多相性滯后 表面不均勻是造成接觸角滯后的一個重要原因。若固體表表面不均勻是造成接觸角滯后的一個重要原因。若固體表面由與液體親合力不同的兩部分面由與液體親合力不同的兩部分a a、b b組成，則液體對復(fù)合組成，則液體對復(fù)合表面的接觸角與對兩種純固體表面成分自身的接觸角的關(guān)表面的接觸角與對兩種純固體表面成分自身的接觸角的關(guān)系是：系是： 2211coscoscosff 實踐表明，前進(jìn)角一般反映與液體親合力較弱的那部分

38、固體實踐表明，前進(jìn)角一般反映與液體親合力較弱的那部分固體表面的潤濕性，反映低能表面區(qū)，因此，表面的潤濕性，反映低能表面區(qū)，因此，A A較大（較大（COSCOS?。笸私欠从撑c液體親合力較強的那部分固體表面的?。笸私欠从撑c液體親合力較強的那部分固體表面的性質(zhì)，趨向于反映高能表面區(qū)，因此，性質(zhì)，趨向于反映高能表面區(qū)，因此，R R較小。對于一些無較小。對于一些無機固體，由于表面能較高，固而極易吸附一些低表面能的物機固體，由于表面能較高，固而極易吸附一些低表面能的物質(zhì)而形成復(fù)合表面，因此，造成液體對這種復(fù)合表面形成的質(zhì)而形成復(fù)合表面，因此，造成液體對這種復(fù)合表面形成的接觸角滯后現(xiàn)象，可見，欲

39、準(zhǔn)確測定一種固體的接觸角，必接觸角滯后現(xiàn)象，可見，欲準(zhǔn)確測定一種固體的接觸角，必須保證固體表面不受污染。須保證固體表面不受污染。)cos(cos2/1cosRA 2. 2.表面不平表面不平 表面不平也是造成接觸角滯后的主要因素，若將一表面不平也是造成接觸角滯后的主要因素，若將一玻璃粗化后，將一水滴滴在傾斜玻璃上，則出現(xiàn)玻璃粗化后，將一水滴滴在傾斜玻璃上，則出現(xiàn)接觸角滯后。接觸角滯后。 WenzelWenzel研究了固體表面粗度對潤濕性的影響，他指研究了固體表面粗度對潤濕性的影響，他指出，一個給定的幾何面經(jīng)粗化后，必然使表面積出，一個給定的幾何面經(jīng)粗化后，必然使表面積增大，若以增大，若以r r表

40、示粗化程度，則表示粗化程度，則 r=Ar=A（真實）（真實）/ /A A （表觀）（表觀）應(yīng)加以粗化較正，應(yīng)加以粗化較正，coscosr9. 三相接觸線三相接觸線當(dāng)液體與固體表面相接觸時，固當(dāng)液體與固體表面相接觸時，固-液液-氣三相接觸部分是氣三相接觸部分是一空間曲線，稱為三相接觸線。一空間曲線，稱為三相接觸線。接觸線的形狀依照固體表面的微觀幾何形狀的不同而不接觸線的形狀依照固體表面的微觀幾何形狀的不同而不同，大致分為兩種：連續(xù)的和不連續(xù)的。同，大致分為兩種：連續(xù)的和不連續(xù)的。接觸線連續(xù)時，液滴在該固體表面不易滾動，液滴粘滯接觸線連續(xù)時，液滴在該固體表面不易滾動，液滴粘滯于固體表面，滾動角較大

41、；于固體表面，滾動角較大；接觸線不連續(xù)時，液滴易于滾動，滾動角較小。接觸線不連續(xù)時，液滴易于滾動，滾動角較小。隨著接觸角的增加，液滴與固體的接觸面積就會收縮，隨著接觸角的增加，液滴與固體的接觸面積就會收縮，如果這條三相線不容易變形，則接觸角滯后就會變得很如果這條三相線不容易變形，則接觸角滯后就會變得很小，有利于液滴的運動。如果大就需要很大的外力或傾小，有利于液滴的運動。如果大就需要很大的外力或傾角才會使液滴運動并滑落，否則只能通過蒸發(fā)的方式離角才會使液滴運動并滑落，否則只能通過蒸發(fā)的方式離開表面。開表面。黏附力的測定方法黏附力的測定方法Schematic illustration of two

42、 models for adhesion characterization. (A) CAH measurement, indicating an adhesion along shear direction. (B) NAF measurement, indicating an adhesion along normal direction. SEM images of designed superhydrophobic surfaces with different adhesion and schematic illustration. (A) The aligned PS nanotu

43、be layer. (Inset) Shape of water on the PS surface when it is turned upside down. (B) Schematic illustration of NAF caused by negative pressure when a water droplet is drawn away. Top-view of a superhydrophobic TiO2 with (C) nanopore array, (D) nanotube array and (E) nanovesuvianite structures. 10.

44、滾動的各向異性滾動的各向異性在同一固體表面，由于沿各方向的微觀結(jié)構(gòu)不同，將在同一固體表面，由于沿各方向的微觀結(jié)構(gòu)不同，將會導(dǎo)致其滾動性的差異，即滾動的各向異性。會導(dǎo)致其滾動性的差異，即滾動的各向異性。一維溝槽結(jié)構(gòu)和柱狀結(jié)構(gòu)接觸角和滾動角都存在差異一維溝槽結(jié)構(gòu)和柱狀結(jié)構(gòu)接觸角和滾動角都存在差異滾動角的大小順序是：平行方向滾動角的大小順序是：平行方向柱狀結(jié)構(gòu)柱狀結(jié)構(gòu)OIBrClHF有些固體表面的有些固體表面的 c很小，如聚四氟乙烯和甲基硅樹很小，如聚四氟乙烯和甲基硅樹脂等，水和大多數(shù)有機液體的表面張力均大于它們脂等，水和大多數(shù)有機液體的表面張力均大于它們的的 c，因而在它們的表面上，這些液體均不能

45、鋪展，因而在它們的表面上，這些液體均不能鋪展，通常稱具有這種性能的表面為雙疏表面（既疏水又通常稱具有這種性能的表面為雙疏表面（既疏水又疏油）。疏油）。 高能表面的自憎現(xiàn)象高能表面的自憎現(xiàn)象 雖然許多液體可在高能表面上鋪展，如煤油等碳?xì)浠想m然許多液體可在高能表面上鋪展，如煤油等碳?xì)浠衔锟稍诟蓛舻牟ＡВ撋箱佌?，但也有一些低表面張力物可在干凈的玻璃，鋼上鋪展，但也有一些低表面張力的液體不能在高能表面上鋪展。的液體不能在高能表面上鋪展。 出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于這些有機液體的分子在高能表出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于這些有機液體的分子在高能表面上吸附并形成定向排列的吸附膜，被吸附的兩親分子面上吸附并形成定

46、向排列的吸附膜，被吸附的兩親分子以極性基朝向固體表面，而非極性基朝外排列從而使高以極性基朝向固體表面，而非極性基朝外排列從而使高能表面的組成和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。即從高能表面變成低能能表面的組成和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。即從高能表面變成低能表面，當(dāng)?shù)湍鼙砻娴谋砻?，?dāng)?shù)湍鼙砻娴腸 c小于液體的小于液體的lglg值時，這些液體值時，這些液體便不能在自身的吸附膜上鋪展，這種現(xiàn)象叫做自憎現(xiàn)象。便不能在自身的吸附膜上鋪展，這種現(xiàn)象叫做自憎現(xiàn)象。 可利用自憎現(xiàn)象改變固體表面的潤濕性，如常用一些有可利用自憎現(xiàn)象改變固體表面的潤濕性，如常用一些有自憎現(xiàn)象的油作為一些精密機械中軸承的潤滑油，因為自憎現(xiàn)象的油作為一些精密機械中軸

47、承的潤滑油，因為這樣做可以防止油在金屬零件上的鋪展而形成油污。這樣做可以防止油在金屬零件上的鋪展而形成油污。表面活性劑對潤濕性的影響表面活性劑對潤濕性的影響 可利用表面活性劑以改變體系潤濕性質(zhì)，這主要是從改變液可利用表面活性劑以改變體系潤濕性質(zhì)，這主要是從改變液體的表面張力入手。通過表面活性劑在界面上的吸附而使體的表面張力入手。通過表面活性劑在界面上的吸附而使液體表面張力下降到能在固體表面上鋪展。液體表面張力下降到能在固體表面上鋪展。1 1、潤濕劑、潤濕劑 從潤濕方程看，若液體的表面張力越低，則潤濕能力越強，從潤濕方程看，若液體的表面張力越低，則潤濕能力越強，當(dāng)某液體（如水）的表面張力大于某固

48、體表面的當(dāng)某液體（如水）的表面張力大于某固體表面的cc值時，值時，此液體是無法潤濕該固體的，但若加入表面活性劑，使液此液體是無法潤濕該固體的，但若加入表面活性劑，使液體的表面張力大大降低，一旦表面張力低于體的表面張力大大降低，一旦表面張力低于cc，則此時液，則此時液體便能潤濕固體，這種表面活性劑一般稱為潤濕劑。顯然，體便能潤濕固體，這種表面活性劑一般稱為潤濕劑。顯然，cmccmc和和cmccmc值最低的表面活性劑應(yīng)是最有效的表面活性劑。值最低的表面活性劑應(yīng)是最有效的表面活性劑。選擇合適的潤濕劑應(yīng)注意的事項是：選擇合適的潤濕劑應(yīng)注意的事項是： 潤濕劑在固體表面上吸附時，不應(yīng)形成憎水基朝外的吸附潤

49、濕劑在固體表面上吸附時，不應(yīng)形成憎水基朝外的吸附層層 由于固體表面通常是帶負(fù)電的，陽離子型活性劑常形成憎由于固體表面通常是帶負(fù)電的，陽離子型活性劑常形成憎水基朝外的吸附層，因此，不宜采用。水基朝外的吸附層，因此，不宜采用。2 2、固體表面活性劑、固體表面活性劑 表面活性劑也可通過物理吸附或化學(xué)吸附以改變固體表面的表面活性劑也可通過物理吸附或化學(xué)吸附以改變固體表面的組成和結(jié)構(gòu)，使高能表面變?yōu)榈湍鼙砻?，而降低潤濕性。組成和結(jié)構(gòu)，使高能表面變?yōu)榈湍鼙砻妫档蜐櫇裥浴?產(chǎn)生物理吸附的表面活性劑有：重金屬皂類、長鏈脂肪酸、產(chǎn)生物理吸附的表面活性劑有：重金屬皂類、長鏈脂肪酸、有機胺鹽、有機硅化合物、合氟

50、表面活性劑等，這些表面有機胺鹽、有機硅化合物、合氟表面活性劑等，這些表面活性劑一般是在表面形成憎水基朝外的吸附層，而使固體活性劑一般是在表面形成憎水基朝外的吸附層，而使固體表面能降低。表面能降低。 若表面活性劑的親水基在固體表面產(chǎn)生化學(xué)吸附，而使憎水若表面活性劑的親水基在固體表面產(chǎn)生化學(xué)吸附，而使憎水基朝外，則這亦有利于降低固體的表面能而使其潤濕性降基朝外，則這亦有利于降低固體的表面能而使其潤濕性降低，這方面的實例有黃藥（黃原酸）在礦物浮選中的應(yīng)用。低，這方面的實例有黃藥（黃原酸）在礦物浮選中的應(yīng)用。黃藥與方鉛礦表面發(fā)生化學(xué)作用。黃藥與方鉛礦表面發(fā)生化學(xué)作用。 這時，礦物表面的外層為碳?xì)浠?，?/p>

51、潤濕性大大下降，并這時，礦物表面的外層為碳?xì)浠?，其潤濕性大大下降，并附著于鼓入的氣泡中被浮選到液體表面，又如用甲基氯硅附著于鼓入的氣泡中被浮選到液體表面，又如用甲基氯硅烷處理玻璃或帶有表面羥基的固體表面，甲基氯硅烷與固烷處理玻璃或帶有表面羥基的固體表面，甲基氯硅烷與固體表面上的羥基作用，釋出氯化氫，形成化學(xué)鍵體表面上的羥基作用，釋出氯化氫，形成化學(xué)鍵Si-0Si-0鍵，鍵，這使原來親水的固體表面被甲基所覆蓋而具有憎液性強和這使原來親水的固體表面被甲基所覆蓋而具有憎液性強和長期有效的特點，可通過此方法改性長期有效的特點，可通過此方法改性 玻璃表面從而使其玻璃表面從而使其防水（如汽車玻璃，玻璃鏡片

52、等）。防水（如汽車玻璃，玻璃鏡片等）。 再如普通的棉布因纖維中有醇羥基團(tuán)而呈親水性，所以很再如普通的棉布因纖維中有醇羥基團(tuán)而呈親水性，所以很易被水沾濕，不能防雨，若采用季胺鹽類活性劑與氟氫化易被水沾濕，不能防雨，若采用季胺鹽類活性劑與氟氫化合物混合處理后，表面活性劑的極性基與纖維的醇羥基結(jié)合物混合處理后，表面活性劑的極性基與纖維的醇羥基結(jié)合合 而憎水基朝向空氣，從而使棉布表面從潤濕變?yōu)椴粷櫇?，而憎水基朝向空氣，從而使棉布表面從潤濕變?yōu)椴粷櫇?，由此方法可做成雨衣或防水布。由此方法可做成雨衣或防水布?以上討論的是極性固體的表面改性以上討論的是極性固體的表面改性 ，若為非極性固體，若為非極性固體表

53、面，若通過表面活性劑的吸附形成親水基向外的吸附表面，若通過表面活性劑的吸附形成親水基向外的吸附層則可使憎水表面變?yōu)橛H水表面，即使其潤濕性提高，層則可使憎水表面變?yōu)橛H水表面，即使其潤濕性提高，如將聚乙烯，聚四氟乙烯，石蠟等典型的低能固體浸在如將聚乙烯，聚四氟乙烯，石蠟等典型的低能固體浸在氫氧化鐵或氫氧化錫溶膠中，經(jīng)過一段時間，水合金屬氫氧化鐵或氫氧化錫溶膠中，經(jīng)過一段時間，水合金屬氧化物在低能表面產(chǎn)生較氧化物在低能表面產(chǎn)生較 強的吸附，干燥后可使表面潤強的吸附，干燥后可使表面潤濕性發(fā)生永久性的變化，即從憎水變?yōu)橛H水。濕性發(fā)生永久性的變化，即從憎水變?yōu)橛H水。浮游選礦浮游選礦浮游選礦的原理圖浮游選礦

54、的原理圖 選擇合適的捕集劑，使它選擇合適的捕集劑，使它的親水基團(tuán)只吸在礦砂的表面，的親水基團(tuán)只吸在礦砂的表面，憎水基朝向水。憎水基朝向水。 當(dāng)?shù)V砂表面有當(dāng)?shù)V砂表面有5%5%被捕集劑被捕集劑覆蓋時，就使表面產(chǎn)生憎水性，覆蓋時，就使表面產(chǎn)生憎水性，它會附在氣泡上一起升到液面，它會附在氣泡上一起升到液面，便于收集。便于收集。潤濕熱潤濕熱 將一固體浸入一液體中所放出的熱量稱為潤濕熱，將一固體浸入一液體中所放出的熱量稱為潤濕熱，采用微量量熱計等精密量熱儀器可以測出各種固采用微量量熱計等精密量熱儀器可以測出各種固體和液體浸潤過程中的熱效應(yīng)。體和液體浸潤過程中的熱效應(yīng)。 同接觸角一樣，潤濕熱的數(shù)值也可以作為

55、固液體同接觸角一樣，潤濕熱的數(shù)值也可以作為固液體系潤濕性能的表征，在系潤濕性能的表征，在S S00的場合，采用潤濕的場合，采用潤濕熱數(shù)據(jù)作為表征更有現(xiàn)實意義。熱數(shù)據(jù)作為表征更有現(xiàn)實意義。 由于體系的自由能降低主要是以放熱體現(xiàn)出來。由于體系的自由能降低主要是以放熱體現(xiàn)出來。iislsgiPGGHTT 浸濕過程單位表面的浸潤熱即為其焓變浸濕過程單位表面的浸潤熱即為其焓變pigslsigslsiiTGTSTGHHHQpglpglglpilsgsiTTTTTGTQcoscoscospglpglgliTTTTQcoscos或或潤濕作用的其他應(yīng)用舉例潤濕作用的其他應(yīng)用舉例 1 1、洗滌、洗滌 2 2、礦物

56、的泡沫浮選、礦物的泡沫浮選 3 3、紡織品印染的滲透劑、紡織品印染的滲透劑 4 4、采油、采油 5 5、防水防油、防水防油 6 6、醫(yī)藥和農(nóng)藥、醫(yī)藥和農(nóng)藥 7 7、熱交換器、熱交換器12. 固體表面改性固體表面改性常用的表面處理方法常用的表面處理方法機械處理：將表面機械擦磨和變形，使表面活化機械處理：將表面機械擦磨和變形，使表面活化溶劑或蒸氣處理：除去表面上的可溶性物質(zhì)或低溶劑或蒸氣處理：除去表面上的可溶性物質(zhì)或低分子物質(zhì)而形成粗糙面和細(xì)孔，增大真實面積分子物質(zhì)而形成粗糙面和細(xì)孔，增大真實面積表面吸附：用表面活性劑溶液等將固體表面浸透表面吸附：用表面活性劑溶液等將固體表面浸透形成疏水或親水吸附

57、層形成疏水或親水吸附層偶聯(lián)處理：用偶聯(lián)劑形成化學(xué)活性表面層偶聯(lián)處理：用偶聯(lián)劑形成化學(xué)活性表面層表面接枝處理：使表面活化后進(jìn)行接枝共聚，改表面接枝處理：使表面活化后進(jìn)行接枝共聚，改善親水性善親水性吸附單體聚合處理：表面吸附單體層進(jìn)行聚合反應(yīng)吸附單體聚合處理：表面吸附單體層進(jìn)行聚合反應(yīng)聚合物涂布處理：以聚合物涂布而形成聚合物膜覆聚合物涂布處理：以聚合物涂布而形成聚合物膜覆蓋層蓋層等離子體處理：用等離子體（沖擊放電，電暈放電，等離子體處理：用等離子體（沖擊放電，電暈放電，電弧放電）產(chǎn)生激活的分子電弧放電）產(chǎn)生激活的分子紫外線照射處理：以紫外線為主的高能射線照射，紫外線照射處理：以紫外線為主的高能射線

58、照射，使表面活化使表面活化等離子體聚合處理：用等離子體激發(fā)使有聚合性能等離子體聚合處理：用等離子體激發(fā)使有聚合性能分子聚合，形成聚合膜分子聚合，形成聚合膜離子束濺射處理：用離子濺射束刻蝕離子束濺射處理：用離子濺射束刻蝕二二. 固液界面固液界面固體自溶液中的吸附固體自溶液中的吸附 固體自溶液中的吸附（簡稱固液吸附）在實際固體自溶液中的吸附（簡稱固液吸附）在實際工作中甚為重要。用活性炭脫色、用離子交換工作中甚為重要。用活性炭脫色、用離子交換法吸附電解質(zhì)等，都涉及固體自溶液中的吸附法吸附電解質(zhì)等，都涉及固體自溶液中的吸附現(xiàn)象。現(xiàn)象。 固體自溶液中的吸附常分為非電解質(zhì)溶液與固體自溶液中的吸附常分為非電

59、解質(zhì)溶液與電解質(zhì)溶液。電解質(zhì)溶液。非電解質(zhì)溶液中又分為濃溶液與稀溶液非電解質(zhì)溶液中又分為濃溶液與稀溶液電解質(zhì)溶液電解質(zhì)溶液大分子化合物溶液和表面活性劑溶液大分子化合物溶液和表面活性劑溶液1.固液吸附的吸附特性與吸附量固液吸附的吸附特性與吸附量溶液至少有兩組分：溶劑和溶質(zhì)。溶液至少有兩組分：溶劑和溶質(zhì)。因此，固液間的吸附要考慮因此，固液間的吸附要考慮固體表面與溶質(zhì)固體表面與溶質(zhì)，固體表面與溶劑固體表面與溶劑，以及，以及溶劑與溶質(zhì)之間溶劑與溶質(zhì)之間的相互的相互作用力。作用力。比表面積較大的固體在溶液中吸附任一溶質(zhì)比表面積較大的固體在溶液中吸附任一溶質(zhì)或溶劑時，存在競爭性的優(yōu)先吸附或頂替吸附或溶劑時

60、，存在競爭性的優(yōu)先吸附或頂替吸附現(xiàn)象?，F(xiàn)象。一般固體對溶液中的溶質(zhì)和溶劑均能吸附，一般固體對溶液中的溶質(zhì)和溶劑均能吸附，則吸附層可看成是溶質(zhì)與溶劑分子的二維溶液。則吸附層可看成是溶質(zhì)與溶劑分子的二維溶液。由于固體對溶劑與溶質(zhì)相互作用會有差異，由于固體對溶劑與溶質(zhì)相互作用會有差異，結(jié)果使溶液在界面吸附層的濃度與體相的濃結(jié)果使溶液在界面吸附層的濃度與體相的濃度不一致。度不一致。若溶液吸附層濃度大于其在體相的濃度，若溶液吸附層濃度大于其在體相的濃度，則對溶質(zhì)是正吸附，對溶劑是負(fù)吸附。則對溶質(zhì)是正吸附，對溶劑是負(fù)吸附。反之，對溶質(zhì)為負(fù)吸附，對溶劑為正吸附。反之，對溶質(zhì)為負(fù)吸附，對溶劑為正吸附。固液吸附的吸附量