材料表界面_复习课

材料表界面复习课考核方式•平时成绩：20％（包括考勤10％和课堂练习、作业等10％）•期末考试：80％（选择，判断，填空，简答，计算）材料表界面课程主要内容一、绪论二、液体界面三、固体表面四、固液界面五、表面活性剂六、高分子材料的表面张力七、聚合物的表面改性八、金属材料的表面九、无机非金属材料的表界面十、复合材料的界面表界面基础知识材料表界面什么是表界面？表界面是由一个相过渡到另一个相的过渡区域。若其中一相为气体，这种界面通常称为表面(surface)。表界面通常有五类：气-液界面（表面），气-固界面（表面），液-液界面，液-固界面，固-固界面。表界面区的结构、能量、组成等都呈现连续的梯度变化。为什么要学习材料表界面？材料表界面对材料整体性能具有决定性影响。各种材料的性能和制造过程：腐蚀、老化、硬化、破坏、印刷、涂膜、粘结、复合等等，无不与材料的表界面密切有关。表面张力与表面Gibbs自由能材料表界面的基本性能不同点：物理概念、意义不同：表面张力（通常）指纯物质的表面层分子间实际存在着的（收缩）张力。单位：N/m。表面自由能表示形成单位新表面使体系自由能的增加，可表示为：J/m2材料表界面的基本性能相同点：σ既可表示表面自由能又可表示表面张力，两者量纲相同，数值相等：表面自由能J/m2=Nm/m2=N/m表面张力表面张力与表面Gibbs自由能材料表界面的基本性能由于分子在体相内部与界面上所处的环境是不同的，产生了净吸力。把作用于单位边界线上的这种力称为表面张力，用σ表示，单位是N·m-1。表面张力材料表界面的基本性能表面张力表面张力的本质：表面张力产生的根本原因：表面张力的方向：分子间相互作用力的不平衡分子间相互作用力表面张力的方向和液面相切，如果液面是平面，表面张力就在这个平面上。如果液面是曲面，表面张力就在这个曲面的切面上，并促使液体表面积缩小的方向。材料表界面的基本性能表面张力影响表面张力的因素：1.分子间力的影响表面张力与物质的本性和所接触相的性质有关。液体或者固体中的分子间的相互作用力或化学键力越大，表面张力越大。HgNaClH2O苯金属键离子键极性共价键及氢键非极性共价键表面张力材料表界面的基本性能影响表面张力的因素：1.分子间力的影响表面张力2.温度的影响随温度升高，分子间的距离增大，分子间的相互作用力减弱，表面张力就会下降。当温度升高到临界温度时，液体与气体的界面消失，表面张力趋于零。材料表界面的基本性能影响表面张力的因素：表面张力材料表界面的基本性能第六章高分子材料的表面张力2表面形态对表面张力的影响1表面张力与温度的关系3表面张力与相对分子质量的关系4表面张力与分子结构的关系5表面张力与内聚能密度6共聚和共混对表面张力的影响7固体聚合物表面张力的测定方法材料表界面的四大定理？1.Laplace方程2.Kelvin公式3.Gibbs吸附等温式4.Young方程1.Laplace方程弯曲表面上的附加压力psps由于液面是弯曲的，沿AB的周界上的表面张力不能抵消，作用于边界的力有一指向曲率中心的合力。所有的点产生的合力和为Ps，称为附加压力。ABAB1.Laplace方程附加压力的方向总是指向曲率中心。psps弯曲表面上的附加压力（1）凸液面，液滴的曲率半径r为正，△P为正，附加压力指向液体内部，r越小，△P越大；（2）平液面，r趋向无穷大，△P为零，跨越平液面不存在压力差；（3）凹液面，r为负，△P为负，附加压力指向空气。2482/(2-15)Prrdrprrd1.Laplace方程涉及的计算：知道内外压差，液体表面张力，计算液珠直径。2482/(2-15)Prrdrprrd1.Laplace方程1.Laplace方程的应用毛细管法最大气泡压力法滴重法吊环法吊板法液体表面张力测定1.Laplace方程的应用MN0p'p''p2HOHg毛细管现象浸润液体在细管里升高的现象和不浸润液体在细管里降低的现象,叫做毛细现象.能够产生明显毛细现象的管叫做毛细管.毛细管法由Laplace方程可得：若定义h为凹月面底部距平液面的高度，则压差Δp应等于毛细管内液柱的静压强，即Δp=2σ/r(2-19)gh=2/r(2-20)hrr毛细管法1.Laplace方程的应用毛细管法gh=2/r(2-20)涉及到的计算：知道毛细管液面高度，求表面张力。1.Laplace方程的应用hrr2.Kelvin公式弯曲表面上的蒸汽压Kelvin公式表明：液滴的半径越小，其蒸汽压越大。气泡的半径越小，其蒸汽压越小。rMRVPPRT22)ln(02.Kelvin公式涉及计算时特别注意：液滴：凸面，r0。气泡：凹面，r0。弯曲表面上的蒸汽压rMRVPPRT22)ln(0应用Kelvin公式可以解释一些现象：•1、过饱和蒸气，人工降雨•2、过热液体•3、过饱和溶液rMRVPPRT22)ln(02.Kelvin公式的应用1.过饱和蒸汽按照相平衡条件应当凝结而未凝结的蒸汽。蒸气液滴凸液面r0,PrP0rMRVPPRT22)ln(0凸液面使得蒸气压增大，因此液滴极难产生和存在。当蒸汽中有灰尘存在或容器的内表面粗糙时，这些物质可以作为蒸汽凝结中心，使液核易于生成及长大，在蒸汽的过饱和程度较小的情况下，蒸汽就开始凝结。2.Kelvin公式的应用1.过饱和蒸汽2.Kelvin公式的应用当空气中的水蒸气凝结时，首先形成非常小的液核，在液核存在的基础上继而长大形成大的液滴，从而发生水蒸气的凝结。根据kelvin公式：对于初始形成的液核，半径非常小，其对应的饱和蒸汽压远远大于平液面水的饱和蒸汽压，所以液核很难形成，从而发生了空气中水蒸气过饱和现象。若在空中存在凝结中心，比如灰尘，会使水滴初始凝结曲率半径变大，当相应的饱和蒸气压小于高空中有的水蒸气压力时，蒸气会凝结成水。人工降雨正是利用种原理，通过向云层中的过饱和水气提供凝聚中心(例如AgI微粒)以达到人工增雨的目的。rMRVPPRT22)ln(02.过热液体按照相平衡条件应当沸腾而不沸腾的液体。液体气泡凹液面r0,PrP0rMRVPPRT22)ln(0凹液面使得气泡的产生非常困难。为防止过热，常在液体中投入一些素烧瓷片等多孔性物质。其孔中储存有气体，加热时这些气体成为新相种子。2.Kelvin公式的应用液体沸腾时不仅在液体表面进行气化，而且在液体内部要自动形成小气泡。根据开尔文公式可知，对于这样的气泡其饱和蒸气压小于平面液体的饱和蒸气压，而且起泡半径越小，泡内饱和蒸气压越小。在沸点时，最初形成的半径极小的气泡内的饱和蒸气压远小于外压，因此在外压的压迫下，小气泡难以形成，以至液体不易沸腾而形成过热液体。实践中，在液体中加入多孔物质，如沸石便是通过增大最初形成气泡的半径，从而避免液体过热现象。2.Kelvin公式的应用rMRVPPRT22)ln(02.过热液体按照相平衡条件应当沸腾而不沸腾的液体。3.过饱和溶液在平衡条件下，应当有晶体析出而未析出的溶液。rMCCRTls2ln0小晶粒的溶解度大于大晶粒的溶解度。2.Kelvin公式温度一定时，晶体颗粒越小，则1/r越大，溶解度也越大。所以当溶液在恒温下浓缩时，溶质的浓度逐渐增大，达到普通晶体的饱和浓度时，对微小晶体却仍未达到饱和状态，因而不可能析出微小晶体，从而形成过饱和溶液。若要自动生成微小晶体，还需进一步蒸发，达到一定的过饱和程度时，小晶体才可能不断析出。2.Kelvin公式开尔文公式对于溶质的溶解度也可适用，只要将公式中的蒸气压换成溶质的饱和浓度即可，即微小晶体颗粒的饱和浓度大于普通晶体的饱和浓度。rMCCRTls2ln03.过饱和溶液在平衡条件下，应当有晶体析出而未析出的溶液。3.Gibbs吸附等温式112(2-47)2ln22cccRTRTTT表面张力与溶液浓度的关系Γ21表示单位面积上吸附溶质的过剩量，单位是mol/cm2。它表示溶质的表面浓度和本体浓度之差。C2为溶质的质量摩尔浓度或体积摩尔浓度。Γ21为正，为正吸附，溶质的表面浓度大于本体浓度，即为表面超量；Γ21为负，则为负吸附，溶质的表面浓度小于本体浓度，即为表面亏量；3.Gibbs吸附等温式112(2-47)2ln22cccRTRTTT表面张力与溶液浓度的关系3.Gibbs吸附等温式表面张力与溶液浓度的关系像第三类物质那样，加入很少量就能大大降低溶剂的表面张力，使表面呈现活性状态的物质称为表面活性剂。表面活性剂的分子结构特点及分类亲水基团是否带电离子型非离子型：不能电离阴离子型阳离子型两性离子型亲油基亲水基按亲水基类型分类是表面活性剂分类的主要方法表面活性剂的亲水亲油性能的衡量亲疏平衡值（HLB）相转型温度（PIT）表面活性剂的亲疏平衡值（HLB）亲疏平衡值（HLB）表面活性剂都是两亲分子，由于亲水和亲油基团的不同，很难用相同的单位来衡量，所以Griffin提出了用一个相对的值即HLB值来表示表面活性物质的亲水性。HLB值的大小表示表面活性剂亲水亲油性的相对大小，HLB值越大，表示该表面活性剂的亲水性越强；HLB值越低，则亲油性或疏水性越强。一般来讲，指定石蜡的HLB=0，油酸的HLB=1，油酸钾的HLB=20，十二烷基硫酸酯钠的HLB=40。以此为标准，阴离子表面活性剂HLB在1-40之间，非离子表面活性剂的HLB在1-20之间。（1）非离子表面活性剂HLB值的确定对聚氧乙烯型和多元醇型非离子型表面活性剂:1005亲水基分子量疏水基分子量亲水基分子量1005HLB亲水基部分分子量表面活性剂分子量（2）其他类型表面活性剂HLB值的计算7(2-4)HLBHL（3）混合表面活性剂HLB值的计算(2-5)AABBABmHLBmHLBHLBmm表面活性剂的亲疏平衡值（HLB）表面活性剂的相转型温度（PIT）非离子型表面活性剂在低温下可形成水包油型乳状液，随着温度升高，非离子型表面活性剂的亲水基团（特别是聚氧乙烯链）的水合程度随温度升高而降低，表面活性剂亲水性下降，溶解度减小，HLB值下降，最后达到某一温度，使得乳状液从原来的水包油型转变为油包水型。这一温度称为相转型温度PIT。表面活性剂的亲水性越强，PIT越高。越容易溶解非离子表面活性剂的油，其PIT值越低。PIT与HLB的关系近乎直线。HLB值大，其亲水性强，其PIT越高，故需在较高的温度下才能转相。PIT的测定可用电导法。表面活性剂的相转型温度（PIT）表面活性剂的临界胶束浓度（CMC）少量活性剂的加入可使水的表面张力迅速下降，但到某一浓度后，水溶液的表面张力几乎不变。这个表面张力转折点的浓度称为临界胶束浓度（CMC）。表面活性剂达到形成单分子膜的最低浓度；表面活性剂溶液中开始形成胶束的最低浓度表面活性剂的临界胶束浓度（CMC）表面活性剂浓度变大CCMC分子在溶液表面定向排列，表面张力迅速降低C＝CMC溶液表面定向排列已经饱和，表面张力达到最小值。开始形成小胶束CCMC溶液中的分子的憎水基相互吸引，分子自发聚集，形成球状、层状胶束，将憎水基埋在胶束内部临界胶束浓度的影响因素：亲油因素使CMC下降；亲水因素使CMC增加表面活性剂的临界胶束浓度（CMC）亲油基亲水基1.亲油因素：疏水基的影响在C8~C16范围内，表面活性剂疏水基烃链长度增加，CMC下降。表面活性剂的临界胶束浓度（CMC）2.亲水基的影响亲水基团越多，CMC值越大，亲水基种类对CMC影响不大。开始时CMC随温度升高而下降，中间经过一最小值，然后随温度升高而增大。3.温度的影响表面活性剂的临界胶束浓度（CMC）4.其它因素的影响（1）电解质的影响，添加电解质使CMC下降。（2）有机物的加入。表面活性剂的临界胶束浓度（CMC）表面活性剂的胶束两亲分子溶解在水中达一定浓度时，其非极性部