表面與界面習題

1、 Chapter 11、表面與界面的定義。 1)表面：固體與真空的界面； 2)界面：相鄰兩個結晶空間的交界面稱為“界面”。2、敘述表面與本體的不同點。表面與本體：結構、化學組成、性質都存在不同。材料與外界的相互作用是通過表面來進行的。因此，表面具有特殊性，它的性質將直接影響材料的整體性質。材料的性質雖然與組成的本體有關，但其表面對性能的影響卻占很大的比重。因為，不少性能是通過表面來實現(xiàn)的，如表面硬度、表面電導，同時，材料某些性能將通過表面受到外界環(huán)境的影響。 3、 什么叫相界面？有哪幾類？ 1)相界面：相鄰相之間的交界面成為相界面。 2)分為3類：固相與固相的界面，固相與氣相的界面，固相與液相

2、的界面。4、 材料表面與界面的表征手段有哪些？ 材料表面與界面的表征主要通過對比表面積、表面張力（表面能）等測定來實現(xiàn) 1）比表面積 a 靜態(tài)吸附法（BET）（測量準確度和精度都很好，但達到吸附平衡慢，儀器裝置較復雜，需要高真空系統(tǒng)，并且要使用大量的汞，逐步被動態(tài)吸附法所取代） b 動態(tài)吸附法：常壓流動法，氣相色譜法（操作簡單而快速 ） 2）表面張力 a 高聚物熔體表面張力外推法(T成直線關系，測定不同溫度下高聚物熔體的表面張力，外推到20時的表面張力) b Zisman的浸潤臨界表面張力法(測定固體在已知表面張力的液體中的接觸角 ) C 還有幾何平均方程求解法、狀態(tài)方程測求法等等 d 理論計

3、算：等張比容法、內聚能密度法、Tg參數(shù)計算法 5、 試述表面張力產生的原因。材料的表面結構和性質與其本體有明顯的差別，這是因為位于材料本體的原子受到周圍原子的相互作用是相同的，處于對稱力場之中，總的作用之和等于0；而處于表面的原子只有局部受到與本體相同的相互作用，而其余的部分則完全不同,表面由此產生表面張力。6、單位體積的物體所具有的表面積稱為比表面，請得 出下列結果：(1)半徑為r的球形顆粒，其比表面為：(2)質量為m，密度為的球形顆粒的比表面：(3) 邊長為L的立方體的比表面為：(4) 質量為m，密度為的立方體的比表面為：7.水蒸氣迅速冷卻至25會發(fā)生過飽和現(xiàn)象。已知25時水的表面張力為7

4、1.49×103 N/m，當過飽和水的蒸氣壓為正常平衡蒸氣壓的4倍時，求：（1）在此過飽和情況下，開始形成液滴的半徑；（2）一滴此種水滴中含有多少個水分子？8. 在20下，若水的密度為998.2kg/m3,表面張力為72.810-3N/m，若水滴半徑為10-6cm，求水的過飽和度。T=293K， r=10-6cm=10-8m, R=8.314JmolK,M=18g/mol=18*10-3kg/mol9.乙醇的表面張力符合公式720.5c+0.2c2,c是乙醇的濃度（mol/L），溫度為25，計算0.5 mol/L乙醇溶液的表面超量。10.毛細管法測定液體表面張力的原理是什么？為什么要

5、對毛細管法進行修正？ 1）PPT chapter 1 P11 第一張 PPT 推到出表面張力的公式即可 2）原因 （1）對凹月面看作為球面的近似處理 （2）只有在凹月面的最低一點毛細上升高度才是h，在其他各點上，毛細上升高度都大于h。 11.在20 時用毛細管法測定苯的表面張力，得到下列數(shù)據(jù)，求苯的表面張力。r=0.0550cm, h=1.201cm,苯=0.8785g/cm3, 空氣=0.0014g/cm3a為毛細常數(shù)，它是液體的特性常數(shù)12.19 時丁酸水溶液的表面張力可表示為： 為純水表面張力；a、b為常數(shù)，各為5.097×102 mol/L與0.180;c為濃度求：（1）c=

6、0.200 mol/L時的 ； （2）c/a1時的 值，并計算丁酸分子所占面積13. 比較物理吸附和化學吸附的區(qū)別。14.什么是Young方程？接觸角的大小與液體對固體的潤濕性好壞有怎樣的關系？15. 潤濕過程有哪些類型？ 可分為附著潤濕，鋪展?jié)櫇?，浸漬潤濕3中類型（三種潤濕的共同點是液體將氣體從固體表面排擠開，使原有的固氣或 液氣界面消失，而代之以固液界面。）16. 為什么說鋪展是潤濕的最高形式？鋪展張力17.如何求潤濕過程中的黏附功、浸潤功、鋪展系數(shù)？18.掌握氣體吸附法測定固體的比表面積的方法。（用BET模型來測定固體的比表面積。） Chapter 21、敘述高聚物的粘結及衡量粘結好壞的

7、物理量。 1）粘結就其實質來說是一種界面現(xiàn)象，粘結過程是界面物理和化學發(fā)生變化的過程。高聚物的粘結行為與高聚物的表面能直接有關。 2）衡量粘結好壞的物理量為粘結強度，粘結強度與粘結界面的作用力有關。2、 簡述粘結界面的三類作用力。 1）機械力：如拋錨作用和摩擦作用所產生的力 2）界面分子間作用力（范德華力） 3）化學鍵力：兩者分子相互接近至1-3a時，發(fā)生化學反應而形成的力。3、簡述表面狀況對粘結的影響和表面改性的方法。 1）粘結強度是界面粘結好壞的量度，如果界面得到理想的粘結。那么界面粘結強度是十分可觀的，事實上粘結強度只有理論值的極少一部分，這是因為：粘結過程分子間接觸不良造成粘結界面上留

8、有微孔缺陷，減少粘結界面積。并引起應力集中，促使早期破壞。另外，由于界面存在有殘余熱應力和收縮應力也促使粘結強度損失。 2）表面改性的方法： 化學處理法（氧化法）； 表面涂成改性法：化學涂層改性，硅烷偶聯(lián)劑涂層改性； 等離子體表面改性4、 簡述材料界面的粘結理論。 1）粘結鍵理論2）界面浸潤理論 3）變形層理論 4）束縛層理論 5）可逆水解理論 6）擴散層理論7）弱邊界層理論 Chapter 31、怎樣用表面張力與溫度或相對分子質量的關系間接測定 高分子材料的表面張力? 高聚物熔體表面張力外推法： （T成直線關系，測定不同溫度下高聚物熔體的表面張力，外推到20時的表面張力） 2.分別用等張比容

9、和內聚能密度法估算下列高分子化合物的表面張力。 (1)聚苯乙烯 (2)聚乙二醉(聚氧化乙烯)3、 怎樣用幾何平均法和調和平均法來測定聚合物的表面張力及其分量?平均法的例題，請用調和平均法進行計算。（不考） 表面張力可由組成界面兩相的表面張力的幾何平均值來估算4、 怎樣測定固體材料的臨界表面張力?臨界表面張力是否等于固體的表面張力?為什么? 1）固體的臨界表面張力等于與該固體上接觸角恰好為零的液體的表面張力； 2）不相等，臨界表面張力比固體表面張力 S小。 5、總結固體聚合物表面張力的測試方法。（1）由熔融聚合物的表面張力-溫度關系外推； （2）由表面張力與分子量關系，以 -M-2/3 或 1/

10、4對Mn-1作圖外推； （3）由等張比容法估算（4）由表面張力與內聚能關系估算（5）測定液體對聚合物的接觸角由方程式（3-40）求取 SL； （6）用兩種已知 d和 p的液體測定其對高聚物的接觸角,由幾何平均法或調和平均法， 按式（3-47）或（3-51）求出高聚物的表面張力及其分量（7）用同系列液體測出其對高聚物的接觸角， 以cos - LV作圖，求臨界表面張力 C。（8）用一系列測試液體測定其對高聚物的接觸角 ，由式（3-58）求出 C, ，以 C, 對 LV作圖，求 S的狀態(tài)方程法.6。求甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)的表面張力7.計算聚四氟乙烯的表面張力，已知V=45.5cm3/mol。

11、7、 計算PVC的固體浸潤表面張力，已知水對PVC的表面接觸角為87度，二碘甲烷對PVC的接觸角為36度。 Chapter 41、什么是表面活性劑?表面活性劑的分子結構有什么特點? 1) 像第三類物質那樣，加入很少量就能大大降低溶劑的表面張力，使表面呈現(xiàn)活性狀態(tài)的物質稱為表面活性劑。 2）表面活性劑分子有兩種不同性質的基團所組成，一種是非極性的親油基團，另一種是極性的親水基團。2、表面活性劑的濃度對溶液的表面張力有怎樣的影響，為什么有這樣的影響? 原因： 1）物質的加入會使溶劑表面張力略微升高，屬于此類物質的強電解質有無機鹽、酸、堿等； 2）物質的加入會使溶劑的表面張力逐漸下降，如低碳醇、羧酸

12、等有機化合物； 3）物質少量加入就會使溶劑表面張力急劇下降，但降到一定程度后，就變得很慢或幾乎不下降。3、 表面活性劑按親水劑類型可怎樣分類? 可分為陰離子表面活性劑、陽離子表面活性劑、兩性表面活性劑、非離子型表面活性劑4、 何謂HLB值? HLB值對表面活性劑的選用有何指導意義？ 1）親水-疏水平衡值HLB； 2）HLB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越低，則親油性或疏水性越強。5、試求表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉的HLB值。 （不考）6、什么是相轉移溫度?用PIT表示表面活性劑的親水、親油性較HLB值有什么優(yōu)點？ 1）非離子型表面活

13、性劑乳狀液隨著溫度升高,從原來O/W型轉變?yōu)閃/O型的溫度,稱為相轉型溫度(PIT), 也叫做親水-親油平衡溫度(HLB溫度). 2）HLB的三個缺點：（1）它沒有考慮到油相與水相本身的性能（2）它沒有考慮表面活性劑濃度的影響（3）它沒有考慮到溫度及各相體積的影響7、什么是CMC濃度?試討論影響CMC的因素。請設計一種實驗測定CMC的方法。 1）少量活性劑的加入可使水的表面張力迅速下降，但到某一濃度后，水溶液的表面張力幾乎不變。這個表面張力轉折點的濃度稱為臨界膠束濃度（CMC) 2）影響因素：疏水基，親水基，溫度，其他因素（如加入電解質） 3）方法：貌似不考8、怎樣根據(jù)Gibbs方程，通過溶液

14、表面張力隨表面活性劑濃度變化曲線的測定，求得 表面活性劑溶液的飽和表面吸附量以及表面活性劑分子在溶液表面上的占有面積? （不考）9、溫度對離于型表面活性劑和非離于型表面活性劑溶解度的影響有什么不同?為什 么離子型表面活性劑在KP點以上溶解度迅速增大，而非離于型表面活性劑在C.P 點變成渾濁? 1)離子型表面活性劑的溶解度隨溫度變化的特點是在足夠低的溫度下，溶解度隨溫度升高而慢慢增大，當溫度達到某一定值后，溶解度會突然增大.非離子型表面活性劑溶液的溶解度隨溫度升高而下降，當溫度升到一定值時，溶液突然變成混濁. 2) 3)當溫度上升時，氫鍵被削弱，升到一定溫度，氫鍵斷裂，表面活性劑從溶液中析出，使

15、溶液突然變濁。 Chapter 51、 對聚合物進行表面處理的目的是什么? 表面處理的目的就是改變表面化學組成，引進帶有反應性的功能團；清除雜質或弱邊界層等，改變界面的物理形態(tài)，增加表面能，以提高聚合物表面的潤濕性和粘合性等，通過表面接枝反應，設計界面過渡層。2、聚烯烴薄膜經電暈處理后表面性能可能發(fā)生怎樣的變化? 這些高能粒子與聚合物表面作用，使聚合表面產生自由基和離子，在空氣中氧的作用下，聚合物表面可形成各種極性基團，因而改善了聚合物的粘接性和潤濕性。電暈處理可使薄膜的潤濕性提高，對印刷油墨的附著力顯著改善。3、為什么抗氧劑對聚合物的高溫熱處理有較大影響而對火焰材料沒有影響? 因為火焰材料的

16、表面本身就含有含氧基團，所以抗氧劑對其不會有影響。而聚合物表面本身不含含氧基團，受到高溫熱處理容易引進含氧基團，因此有較大影響。4、低溫等離子處理對聚合物的表面改性能產生些什么效果？ 低溫等離子體對聚合物的表面改性在反應氣體的或非反應性氣體的氣氛中進行反應。在氧氣氛中,聚合物表面等離子氧化反應是自由基連鎖反應,可生成含氧基團,如羧基, 羥基,羰基,過氧基等. 5、聚合物表面接枝有哪些方法？其原理各是什么？ 1)表面接枝的方法可歸類為三類：表面接枝聚合，大分子偶合反應，以及添加接枝共聚物。 2)表面接枝聚合:通過某種特殊技術，使聚合物表面產生活性種，用該表面大分子活性種引發(fā)乙烯基單體在聚合物表面

17、接枝聚合。通過表面接枝，聚合物表面生長出一層新的具有特殊性能的接枝聚合物層，從而達到顯著的表面改性效果，而基質聚合物的本體性能不受影響. 大分子偶合反應:偶合接枝法是利用高聚物表面的官能團與接枝聚合物反應而實現(xiàn)聚合物的表面改性。添加接枝共聚物:顧名思義 Chapter 61、什么稱謂高聚物的變形摩擦和粘著摩擦。 為位于界面或靠近界面很薄的界面區(qū)，與剛性物體和高聚物之間真實接觸面積相關，其厚度大約10010-9m粘著摩擦 為位于界面以下的內聚區(qū)，與剛性物體和高聚物之間宏觀接觸面積相關，其厚度與接觸長度相仿變形摩擦2、高聚物的磨損過程涉及哪幾種機理？ 高聚物的磨損過程涉及多種機理，以下述三種為主：

18、（1）磨粒磨損：對摩面上硬的粗糙面或對摩面間的硬顆粒的切割或刨犁作用使軟質高聚物變形與斷裂，（2）粘著磨損：對摩面間的粘著作用使高聚物從一個摩擦面轉移到另一摩擦面，（3）疲勞磨損：局部范圍內周期性應力作用造成高聚物的開裂與劈除。3、摩擦與磨損的定義。 摩擦：抵抗兩物體接觸表面發(fā)生切向相對運動的現(xiàn)象稱為摩擦。 磨損：物體相對運動表面的物質不斷損失或產生殘余變形稱為磨損。 Chapter 71、何謂復合材料？ 用經過選擇的、含一定數(shù)量比的兩種或兩種以上的組分（或稱組元），通過人工復合、組成多相、三維結合且各相之間有明顯界面的、具有特殊性能的材料。2、簡述纖維增強復合材料的原則。 a.連續(xù)纖維復合材

19、料：作為分散相的長纖維的兩個端點都位于復合材料的邊界處； b.非連續(xù)纖維復合材料：短纖維、晶須無規(guī)則地分散在基體材料中；3、何謂復合材料的界面？通常包含哪些部分？界面會產生哪些效應？ 1)復合材料的界面是指基體與增強物之間化學成分有顯著變化的、構成彼此結合的、能起載荷傳遞作用的微小區(qū)域。 2)基體和增強物的部分原始接觸面；基體與增強物相互作用生成的反應產物，此產物與基體及增強物的接觸面；基體和增強物的互擴散層；增強物上的表面涂層；基體和增強物上的氧化物及它們的反應產物之間的接觸面等。 3)傳遞效應 ，阻斷效應， 不連續(xù)效應， 散射和吸收效應， 誘導效應4、影響界面結合強度的因素有哪些？ 表面的

20、幾何形狀、分布狀況、紋理結構；表面吸附氣體和蒸氣程度；表面吸水情況，雜質存在；表面形態(tài)在界面的溶解、浸透、擴散和化學反應；表面層的力學特性，潤濕速度等。5、如何改善增強材料與基體間的浸潤性？ 為了提高復合材料組分間的浸潤性， 常常通過對增強材料進行表面處理的方法來改善潤濕條件，有時也可通過改變基體成分來實現(xiàn)。6、為什么說界面對復合材料的性能起著重要的作用？ 界面的粘結強度直接影響著復合材料的力學性能以及其它物理、化學性能，如耐熱性、耐蝕性、耐磨性等。7.什么是偶聯(lián)劑?說明硅烷偶聯(lián)劑對玻璃纖維增強塑料的作用機理。用偶聯(lián)劑進行表面處理有哪些方法? 1）所謂偶聯(lián)劑是分子中含有兩種不同性質基團的化合物，其中一種基團可與增強材料發(fā)生化學或物理的作用。另一種基團可與基體發(fā)生化學或物理作用。通過偶聯(lián)劑的偶聯(lián)作用，使基體與增強材料實現(xiàn)良好的界面結合。 2）作用機理：硅烷偶聯(lián)劑與玻纖表面以SiOSi化學鍵結合，同時在玻纖表面縮聚成膜，形成了有機R基團朝外的的結構 3）電暈和接枝7、 舉例說明高性能纖維的表面處理方法，怎樣表征纖維處理后表面結構與性能的變化? 1） 表面清潔處理 在惰性氣氛中加