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楊式方程、Wenzel 方程 Zisman 準(zhǔn)則揭秘液體與固體表面之間的復(fù)雜關(guān)系
來(lái)源:wld_lut 師道心聲 瀏覽 933 次 發(fā)布時(shí)間:2024-10-18
在材料科學(xué)的奇妙世界里,楊式方程、Wenzel方程和Zisman準(zhǔn)則如同三位神秘的向?qū)ВI(lǐng)我們深入了解液體與固體表面之間的復(fù)雜關(guān)系。
一、楊式方程:界面張力的平衡藝術(shù)
楊式方程,其中是固體-氣體界面張力,是固體-液體界面張力,是液體-氣體界面張力,是光滑固體表面上的接觸角。
這個(gè)方程描述了在光滑固體表面上,三種界面張力之間的平衡關(guān)系。它可以幫助我們判斷液體在光滑固體表面的潤(rùn)濕狀態(tài)。當(dāng)時(shí),液體完全潤(rùn)濕固體表面;當(dāng),液體部分潤(rùn)濕;當(dāng),液體不潤(rùn)濕固體表面。
例如,在清潔的玻璃表面上滴一滴水,如果水能夠迅速鋪展成一層薄薄的膜,說(shuō)明此時(shí)接觸角接近,液體完全潤(rùn)濕玻璃表面。而如果滴一滴汞在玻璃表面,汞會(huì)形成一個(gè)小球,說(shuō)明接觸角較大,液體不潤(rùn)濕玻璃表面。
二、Wenzel方程:粗糙度帶來(lái)的神奇變化
Wenzel方程為,其中是粗糙因子(實(shí)際表面積與表觀幾何表面積之比,),是粗糙表面上的接觸角,是光滑表面上的接觸角。
Wenzel方程揭示了表面粗糙度對(duì)液體在固體表面接觸角的影響。當(dāng)時(shí),如果液體在光滑表面上是潤(rùn)濕的(),那么根據(jù)方程,,此時(shí),所以,液體在粗糙表面上會(huì)更加潤(rùn)濕。反之,如果液體在光滑表面上是不潤(rùn)濕的(),則,,液體在粗糙表面上會(huì)更加不潤(rùn)濕。
以荷葉為例,荷葉表面有許多微小的乳突結(jié)構(gòu),其粗糙因子較大。水在荷葉表面的接觸角可達(dá)左右,形成水珠滾動(dòng)帶走灰塵,這就是利用了Wenzel方程的原理,通過(guò)表面粗糙度實(shí)現(xiàn)超疏水的效果。
三、Zisman準(zhǔn)則:臨界表面張力的奧秘
Zisman準(zhǔn)則指出,對(duì)于同一系列的液體在同一固體表面上,其接觸角與液體的表面張力之間存在一定的關(guān)系。當(dāng)液體的表面張力逐漸降低時(shí),接觸角也會(huì)相應(yīng)地發(fā)生變化。在特定情況下,當(dāng)接觸角趨近于時(shí),此時(shí)的液體表面張力被稱為臨界表面張力。
隨著臨界表面張力的變化,液體對(duì)固體的浸潤(rùn)情況也會(huì)發(fā)生改變。當(dāng)液體的表面張力高于臨界表面張力時(shí),接觸角較大,液體不易在固體表面鋪展,浸潤(rùn)性較差。例如,對(duì)于一種固體表面,若某種液體的表面張力高于該表面的臨界表面張力,那么這種液體在該固體表面上可能會(huì)形成液滴,呈現(xiàn)不潤(rùn)濕的狀態(tài)。而當(dāng)液體的表面張力逐漸降低并接近臨界表面張力時(shí),接觸角會(huì)逐漸減小,液體在固體表面的浸潤(rùn)性增強(qiáng)。當(dāng)液體的表面張力等于臨界表面張力時(shí),接觸角為,液體完全潤(rùn)濕固體表面,實(shí)現(xiàn)最佳的浸潤(rùn)狀態(tài)。
例如,對(duì)于一系列不同表面張力的烷烴在同一固體表面上進(jìn)行實(shí)驗(yàn),隨著烷烴表面張力的降低,接觸角會(huì)逐漸減小。當(dāng)接觸角接近時(shí),可以確定該固體表面對(duì)于這一系列烷烴的臨界表面張力。
四、三者的緊密聯(lián)系
楊式方程與Wenzel方程的聯(lián)系
基礎(chǔ)聯(lián)系:楊式方程描述了光滑固體表面上的界面張力平衡,而Wenzel方程則在考慮表面粗糙度的情況下,建立了粗糙表面接觸角和光滑表面接觸角之間的聯(lián)系。兩者共同為我們理解液體與固體表面的相互作用提供了理論基礎(chǔ)。
通過(guò)接觸角的關(guān)聯(lián):已知光滑表面的接觸角(可由楊式方程相關(guān)因素確定),利用Wenzel方程可以預(yù)測(cè)粗糙表面的接觸角。例如,在一個(gè)給定的固體-液體-氣體體系中,通過(guò)楊式方程求出光滑表面的接觸角,若該表面具有一定粗糙度(已知粗糙因子),則可根據(jù)Wenzel方程求出粗糙表面上液體的接觸角。
在潤(rùn)濕狀態(tài)判斷中的協(xié)同作用:楊式方程判斷液體在光滑固體表面的潤(rùn)濕狀態(tài),Wenzel方程進(jìn)一步說(shuō)明表面粗糙度如何改變這種潤(rùn)濕狀態(tài)。當(dāng)液體在光滑表面部分潤(rùn)濕時(shí),根據(jù)Wenzel方程,若粗糙因子使的值更趨近于1(即更小),液體在粗糙表面可能更傾向于完全潤(rùn)濕。
在能量變化與潤(rùn)濕性的關(guān)聯(lián)方面:楊式方程從界面張力平衡的角度涉及體系的能量變化,Wenzel方程通過(guò)改變接觸角影響體系潤(rùn)濕性,而潤(rùn)濕性的改變反映了體系能量狀態(tài)的改變。例如,當(dāng)液體在粗糙表面上更加潤(rùn)濕時(shí),體系能量狀態(tài)會(huì)因液體與固體之間接觸面積的改變(由于粗糙度)而發(fā)生變化,這種能量變化與楊式方程所描述的界面張力平衡的改變相關(guān)聯(lián)。
Zisman準(zhǔn)則與楊式方程、Wenzel方程的聯(lián)系
Zisman準(zhǔn)則通過(guò)確定臨界表面張力,為楊式方程和Wenzel方程提供了一個(gè)重要的參數(shù)參考。在實(shí)際應(yīng)用中,可以結(jié)合Zisman準(zhǔn)則確定的臨界表面張力,以及楊式方程和Wenzel方程來(lái)設(shè)計(jì)具有特定潤(rùn)濕性的材料表面。例如,通過(guò)調(diào)整固體表面的化學(xué)組成和粗糙度,使其對(duì)于特定液體的表面張力接近臨界表面張力,從而實(shí)現(xiàn)特定的潤(rùn)濕狀態(tài)。
五、問(wèn)題解答
碳纖維或玻璃纖維,何種纖維更易潤(rùn)濕?
一般來(lái)說(shuō),玻璃纖維比碳纖維更易潤(rùn)濕。玻璃纖維表面含有較多的極性基團(tuán),如羥基等,能夠與一些液體形成較強(qiáng)的相互作用,從而更容易被液體潤(rùn)濕。而碳纖維表面相對(duì)較為光滑且化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定,與液體的相互作用較弱,相對(duì)較難潤(rùn)濕。
何種材料可用作脫模劑?
一些具有低表面能的材料可以用作脫模劑,如聚四氟乙烯、硅油等。這些材料能夠在模具和成型材料之間形成一層隔離層,減小兩者之間的粘附力,使得成型后的材料容易從模具上脫離。
纖維表面的清潔度如何影響其潤(rùn)濕性?
纖維表面的清潔度對(duì)其潤(rùn)濕性有很大影響。如果纖維表面存在油污、灰塵等雜質(zhì),會(huì)降低纖維的潤(rùn)濕性。這是因?yàn)殡s質(zhì)會(huì)阻礙液體與纖維表面的直接接觸,減少兩者之間的相互作用。而清潔的纖維表面能夠更好地與液體接觸,從而提高潤(rùn)濕性。
潤(rùn)濕性與工藝性的關(guān)系?
潤(rùn)濕性對(duì)工藝性有著重要的影響。在復(fù)合材料制備等工藝中,良好的潤(rùn)濕性能夠確保增強(qiáng)纖維與基體材料之間充分接觸,提高界面結(jié)合強(qiáng)度,從而提高復(fù)合材料的性能。例如,在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的制備過(guò)程中,如果纖維與基體的潤(rùn)濕性不好,可能會(huì)導(dǎo)致界面結(jié)合不良,出現(xiàn)空隙、分層等缺陷,降低復(fù)合材料的強(qiáng)度和耐久性。
總之,楊式方程、Wenzel方程和Zisman準(zhǔn)則在材料科學(xué)和表面科學(xué)領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用,它們幫助我們更好地理解液體與固體表面之間的相互作用,為設(shè)計(jì)具有特定潤(rùn)濕性的材料提供了理論依據(jù)。同時(shí),對(duì)纖維潤(rùn)濕性等問(wèn)題的探討也有助于我們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中優(yōu)化材料性能和工藝過(guò)程。