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外表能的测验原理、办法、进程
发布时间:2021-06-28 18:53:57 作者:欧宝体育app下载 来源:欧宝体育注册 6 www.scgxhg.com欧宝注册

  外表能的测验原理、办法、进程 界面能可分为固气界面能(也称固体外表能,以下皆称为固体外表能)、气液 界面能(也称液体外表能,以下皆称为液体外表能)和固液界面能。其间固体外表 能的测定对多孔资料、焊接、涂料、分子筛等范畴的理论研究和生产实践具有重 要指导效果;液体外表能的测定则与清洁剂的制作、泡沫别离、潮湿、脱色、乳 化、催化等技能密切相关;而固液界面能主要在触及固液触摸的范畴,如油漆、 光滑、清洁、石油挖掘等范畴运用广泛。 一、 外表能的测验办法 就丈量办法而言,液体外表能能够直接经过仪器设备测得,而固体外表能和 固液界面能却只能经过其他办法间接地核算取得。而又因为固液界面能、固体表 面能、液体外表能三者之间存在某种联系,所以求得固体外表能后,固液界面能 的核算问题会便利的解决。现在丈量固体外表能的办法主要有劈裂功法、颗粒沉降 法、熔融外推法、溶解热法、薄膜浮选、vander Waals Lifshitz 理论以及触摸角法 等。其间,劈裂功法是用力学设备丈量固体劈裂时构成单位新外表所做的功(即 该资料的外表能#的办法)。溶解热法是指固体溶解时一些外表消失,消失外表的 外表能以热的方式开释,丈量同一物质不同比外表的溶解热,由它们的差值预算 出其外表能的办法。薄膜浮选法、颗粒沉降法均用于固体颗粒物质外表能的丈量, 而不适用于片状固体外表能的丈量。熔融外推法是针对熔点较低的固体的丈量方 法,具体办法是加热熔化后丈量液态的外表能与温度的联系,然后外推至熔点以 下其固态时的外表能。此法假定固态时物质的外表性质与液态时相同,这明显是 不合理的。Vander Waals Lifshitz 理论在固体外表能核算方面虽有运用,但不行精 确。触摸角法被以为是一切固体外表能测定办法中最直接、最有用的办法,这种 办法本质上是依据描绘固液气界面系统的杨氏方程的核算办法。 二、 固体外表能测验原理 在非真空条件下液体与固体触摸时,整个界面系统会一起遭到固体外表能 液体外表能 和固液界面能 效果,使得液体在固体外表出现特定的触摸角 (见图 1)。提出了闻名的杨氏方程(1)式来描绘它们之间的联系: () 1 图 1 固体外表的液滴 从方程的界说能够看出,要核算固体外表能,只需要丈量其他 3 个变量即可。 3 个不知道变量中触摸角 和液体外表能 能够经过试验仪器测得,而固液界面能 无法直接测得。因而,界面化学家开展了其他办法,如外表能重量途径、状 态方程途径,运用 、 、 之间的某种联系,再结合方程(1),核算出固体表 面能 。现在树立固体外表能、液体外表能、固液界面能之间联系模型的办法 主要有两种:外表能重量途径和状态方程途径。运用固、液、气界面能联系模型, 联立方程(1)即可求得固体外表能。 1) 依据外表能重量途径 Fowkes 途径 Fowkes 以为外表能是许多重量之和,每种重量是由特定分子之间效果力引 起的,提出了外表能重量途径。 式中 是总外表能, 和 分别是由分子间的 London 力引起的色散外表能重量 和非色散外表能重量。依据此假定,Fowkes 以为固液界面能是固体外表能与液 体外表能之和减去两者色散重量的几何平均 数: 式中: 是固体色散外表能重量 是液体色散外表能重量。 将式(3)与式(1)联立,能够得到: 式中 , 、 与 能够经过试验测得,因而经过丈量一种液体在固体表 2 面上的触摸角,就能够核算出固体外表能。 Owens Wendt Kaelble 办法 Owens 与 Wendt 进一步开展了途径,以为外表能是别的两种重量之和: 式中 是偶极-偶极重量 是氢键重量。 因而 Owens 与 Wendt 以为固液界面能能够表明为固体外表能加上液体外表能减 去偶极-偶极重量的几何平均数和氢键重量的几何平均数: 式中 是固体偶极-偶极重量, 是液体偶极-偶极重量, 是固体氢键重量, 是液 体氢键重量。将式(6)与式(1)联立,能够得到: 简直与此一起 Kaelble 也宣布了与 Owens 与 Wendt 相似的成果,所以式(7)也被 称为 Owens Wendt Kaelble 方程。式(7)中,液体的外表能 及其偶极-偶极分 量 ,氢键重量 能够经过试验测定或化学手册查得,而固体的偶极-偶极重量 和氢键重量 不知道,因而只需丈量两种液体就可算出固体的外表能。 Lifshitz-vander Waal/acid-base (van Oss)途径 van Oss 等以为外表能由 Lifshitz-vander Waal 重量(分子间彼此效果力---范德 华力引起的外表能重量 、简写为 LW 重量 )酸重量和碱重量组成 ,提出了 Lifshitz-vander Waal/acid-base (van Oss)途径: 式中 是 LW 重量, 是酸重量, 是碱重量,i 既可表明固体,也可表明液 体。关于固液界面 van Oss 等以为其界面能与各重量也遵守几何平均联系,故固 液界面能能够表明为: 式中: 是固体 LW 重量 是液体 LW 重量 是固体酸重量 是液体碱重量 是固体碱重量 是液体酸重量。 3 将式(9)与式(1)联立,能够得到: + 式中,液体的 、 、 能够经过化学手册查得或直接丈量取得,而固体材 料的 、 、 不知道,故只需丈量 3 种液体,即可核算出固体的外表能。 2) 依据状态方程途径 Antonow 规矩 依照 Antonow 规矩, 、 、 之间的联系可写成固液界面能状态方程: 将式(11)与式(1)结合,能够得到: 由式(12)能够看出,只需要测得一种液体在固体外表的触摸角,便可核算出固体表 面能。 Berthelot 规矩 不同于 Antonow 规矩 Berthelot 规矩有必定的理论布景。依据分子间彼此作 用是成对的,依据色散 London 理论,关于 2 个不同分子 i 和 j 其能量系数是: 式中: 是 l 对 i 分子的色散能量系数, 是 l 对 j 分子的色散能量系数。 式(13)可写成 Berthelot 几何平均规矩: 式中: 是不成对分子 i 和 j 彼此效果的势能参数, 与 分别是成对分子 ii 和 jj 彼此效果的势能参数。又因为在热力学中固液之间单位面积上的粘附功等于分 开固液界面单位面积所需的能量。 依据 Antonow 几何平均规矩粘附自由能 约等于固体粘附自由能 和液体粘 附自由能 的几何平均数,即: 液体粘附自由能 ,固体粘附自由能 4 ,(16)式可转化为: 结合式(15)和式(17)可得到固液界面能状态方程: 将式(25)与式(1)联立,能够得到: 由式(19)可知,丈量一种液体在待测固体外表的触摸角,就能够核算得到固体表 面能。 Berthelot 规矩的改善 此办法是在 Berthelot 规矩的基础上引进了一个因子( )式(14) 转化为: ( ) 式中: 是经历参数,用来量化几何平均规矩的误差。因为几何平均规矩高估了 非成对分子间的彼此效果强度,故引进校对因子( ),它应当是 之 差的减函数,并且当 规矩: 的差等于 0 时等于 1。依据这种思路,批改了 Berthelot 式中, 是经历常数, 所反映的是联立规矩的对称性。当 或 者 较大时,固液之间的粘附自由能可表明为: 式中 是不知道常数,而 , 则: 式中 是不知道常数,将式(23)与式(15)联立,能够得到固液界面能状态方程: 将式(24)与式(1)联立,能够得到: 5 因而,当 已知,测得液体的外表能 和 的状况下,固体外表能能够经过式(25) 求得,明显,在给定一系列 和 时,同一固体外表能 和常数 也能够求得。 三、 外表能的测验进程 (一) 触摸角的丈量 1) 资料与触摸角丈量仪 一般待测固体资料外表的粗糙度须控制在纳米级或纳米级以下,且要求外表 化学均一性较高。此外,在预备待测液体时,还必须遵从以下准则:(1)液体的 外表能应当大于待测固体的外表能;(2)液体与待测固体之间无化学反应;(3)液 体无毒。 触摸角丈量仪一般由样品台、进样器、光源、CCD 等部件构成。固体资料 水平安装在样品台上,并保证其与 CCD 在同一水平面。一般触摸角丈量仪的进 样是从资料外表上部进样:进样器的针头浸入在液滴中,丈量行进角时,跟着时 间的推动,液滴不断增大;丈量撤退角时,跟着时刻的推动,液滴不断减小。整 个进程可运用丈量仪的内置 CCD 拍照界面图画,然后选用某种办法核算触摸角 值。 2) 触摸角的核算 量角法 量角法是在取得界面图画后,在气、液、固三相触摸处做液气界面的切线, 运用量角器直接量出触摸角视点的办法。此法的优势在于便利、方便,也是曩昔 最常用的办法之一。可是,此法受操作者个体差异影响较大,重复性差,精确度 低,并且不能实现动态实时大规模触摸角数据的丈量。 量高法 首要丈量液滴的高度 h 和液滴的宽度 2R,然后依据式 核算出接 触。 液滴形状剖析法 跟着核算机技能的开展,其强壮的图画处理技能在丈量触摸角时发挥了共同 优势。现在,简直一切的触摸角丈量仪都配有触摸角剖析软件。这些软件都是使 6 用液滴形状剖析算法来核算触摸角。常见的液滴形状剖析法有:多项式拟合法、 snake 法、轴对称液滴形状剖析法、方程数值综合法、解析近似法以及低邦德对 称液滴形状剖析法。液滴形状剖析法重复性好、误 差小,精确度最高可达 ,已广泛运用于触摸角丈量中。 (二) 液体外表能的丈量 常用液体的外表能已被界面化学家记录在化学手册,需。要时查询即可。对 于外表能不知道的液体,能够经过各种外表能测定仪测得。这些外表能测定仪一般 依据以下办法测定液体外表能。 毛细管上升法 细管上升法是液体外表能测定中最常见的办法,在此办法中,待测液体与毛 细管壁触摸角等于 0,假定液面的曲率半径等于毛细管的内半径时,可用式 核算液体外表能。式中: 为液体密度与空气密度之差,h 为毛 细管上升的高度,r 为毛细管内半径,g 为重力加速度。 毛细管上升法理论完好,办法简略,关于液体与毛细管壁触摸角为 0 的系统是最 好的办法。可是关于液体与毛细管壁触摸角不等于 0 的系统则不适用。 滴重法 滴重法假定液滴滴落时的重量与毛细管口脱住液滴的力持平。实践丈量时一 般选用校对公式: 。 滴重法不只便利方便并且对触摸角无严厉约束,丈量成果精确,是常用的液体表 面能测定办法,可是其校对因子具有经历性。 气泡最大压力法 把毛细管浸入液体中,气体从毛细管安稳注入,直到气泡成为球形,此刻曲 率半径最小,压力最大。然后依据 Laplace 方程推算出液体外表能: 式中:P 为最大压力,p 为因为毛细管浸入水引起的流体静力学校对压力。 此法被广泛运用于液体外表能的丈量,特别适用于样品量较少的有机液体外表能 的丈量。可是,只适用于管口很细且刺进液面深度较小的状况。 其他办法 测定液体外表能的办法还有停滴法、悬滴法、外表波共振法、震动液滴法、 7 ADSA 法等。其间,ADSA 法是依据液滴外形的测定办法;而外表波共振法是一 种非触摸性的液体外表能测定办法,被广泛运用于特别环境下液体外表能的丈量。 (三) 固体外表能的核算 现在树立固体外表能,液体外表能,固液界面能之间联系模型的办法主要有 两种:外表能重量途径和状态方程途径。运用固、液、气界面能联系模型,联立 方程(1),即可求得固体外表能。 8

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