《潤(rùn)濕與粘附》課件

潤(rùn)濕與粘附潤(rùn)濕與粘附是材料科學(xué)中的重要概念。它們對(duì)許多應(yīng)用至關(guān)重要，例如涂料、粘合劑和生物材料。課程大綱潤(rùn)濕簡(jiǎn)介潤(rùn)濕的定義和概念接觸角的測(cè)量和意義潤(rùn)濕過(guò)程的三個(gè)階段影響因素分析表面張力表面能表面粗糙度化學(xué)組成表面處理疏水性表面制備親水性表面制備表面改性技術(shù)粘附理論粘附的定義和類型粘附力的影響因素粘附失效與防粘附什么是潤(rùn)濕潤(rùn)濕現(xiàn)象當(dāng)液體與固體表面接觸時(shí)，液體在固體表面上的鋪展現(xiàn)象稱為潤(rùn)濕。親水性表面液體在固體表面上鋪展良好，接觸角小于90度，稱為親水性表面。疏水性表面液體在固體表面上不鋪展，接觸角大于90度，稱為疏水性表面。潤(rùn)濕的定義表面接觸潤(rùn)濕是指液體與固體表面接觸的過(guò)程，液體在固體表面鋪展的程度。液體與固體潤(rùn)濕涉及液體、固體和氣體三相間的相互作用，液體與固體之間的親和力決定了潤(rùn)濕程度。接觸角潤(rùn)濕性通常通過(guò)接觸角來(lái)量化，接觸角是指液體與固體界面之間的夾角，數(shù)值越小，潤(rùn)濕性越好。潤(rùn)濕過(guò)程的三個(gè)階段1接觸固體和液體首次接觸2鋪展液體在固體表面擴(kuò)散3平衡液體達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)潤(rùn)濕過(guò)程分為三個(gè)階段：接觸、鋪展和平衡。接觸是指液體和固體第一次接觸，鋪展是液體在固體表面上擴(kuò)散，平衡是液體達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，接觸角不再改變。接觸角與表面張力的關(guān)系接觸角是液體與固體表面之間的平衡接觸角，表示了液體在固體表面的潤(rùn)濕程度。表面張力是指液體內(nèi)部的分子間作用力引起的，導(dǎo)致液體表面收縮的趨勢(shì)。接觸角與表面張力之間的關(guān)系可以用楊氏方程表示，該方程表明接觸角取決于固體表面和液體表面的界面張力。1楊氏方程cosθ=(γsv-γsl)/γlv2γsv固-氣界面張力3γsl固-液界面張力4γlv液-氣界面張力固-液界面張力固-液界面張力是指固體表面和液體之間相互作用產(chǎn)生的表面張力。它代表了使固體和液體分離所需的能量。固-液界面張力液體分子對(duì)固體表面的吸引力液體表面張力液體分子之間的吸引力固體表面張力固體分子之間的吸引力液-氣界面張力液-氣界面張力是指液體與氣體之間存在的一種表面張力，它是由液體分子之間的吸引力引起的。液體表面的分子受到來(lái)自內(nèi)部液體的吸引力，而表面上的分子沒(méi)有來(lái)自外部液體的吸引力，因此它們受到一種向內(nèi)拉的力，這種力就是表面張力。液-氣界面張力的大小取決于液體的性質(zhì)、溫度和環(huán)境壓力等因素。例如，水的液-氣界面張力在室溫下約為72.8mN/m，而乙醇的液-氣界面張力則約為22.3mN/m。固-氣界面張力固-氣界面張力是固體表面與周圍氣體之間的界面張力。它是固體表面分子與氣體分子之間的相互作用力導(dǎo)致的。固-氣界面張力通常用符號(hào)γsg表示。它可以通過(guò)Young-Laplace方程來(lái)計(jì)算，該方程將接觸角、液-氣界面張力和固-液界面張力聯(lián)系起來(lái)。接觸角的測(cè)量靜態(tài)接觸角測(cè)量靜態(tài)接觸角測(cè)量是指液體與固體表面達(dá)到平衡狀態(tài)后的接觸角，可以通過(guò)接觸角儀進(jìn)行測(cè)量。動(dòng)態(tài)接觸角測(cè)量動(dòng)態(tài)接觸角測(cè)量是指液體在固體表面上的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的接觸角，可以通過(guò)接觸角儀或其他儀器進(jìn)行測(cè)量。接觸角測(cè)量方法常見(jiàn)接觸角測(cè)量方法包括座滴法、傾斜板法、氣泡法等，選擇合適的方法取決于測(cè)量目標(biāo)和實(shí)驗(yàn)條件。接觸角數(shù)據(jù)分析測(cè)量得到的接觸角數(shù)據(jù)需要進(jìn)行分析和解釋，以獲得關(guān)于表面潤(rùn)濕性的信息。接觸角滯后前進(jìn)角和后退角前進(jìn)角是指液體在固體表面鋪展時(shí)，形成的接觸角；后退角是指液體從固體表面退卻時(shí)，形成的接觸角。接觸角滯后接觸角滯后是指前進(jìn)角和后退角之間的差值，通常表示表面粗糙度和異質(zhì)性程度。影響因素表面粗糙度、表面化學(xué)異質(zhì)性以及表面污染等因素都會(huì)影響接觸角滯后。潤(rùn)濕性的影響因素表面處理表面處理可以改變材料的表面性質(zhì)，從而影響其潤(rùn)濕性。例如，疏水性表面可以通過(guò)表面涂層或刻蝕來(lái)制備。表面處理還可以改變材料的表面粗糙度，從而影響其潤(rùn)濕性。環(huán)境因素溫度、壓力和溶液的性質(zhì)都會(huì)影響潤(rùn)濕性。例如，高溫會(huì)降低液體的表面張力，從而使?jié)櫇裥栽黾?。溶液的pH值也會(huì)影響潤(rùn)濕性。例如，酸性溶液會(huì)使金屬表面更容易被水潤(rùn)濕。表面處理對(duì)潤(rùn)濕性的影響1表面清潔表面污染物會(huì)影響潤(rùn)濕性，如油脂、灰塵等。清潔表面可以提高潤(rùn)濕性。2表面粗糙度表面粗糙度影響接觸角，光滑表面更容易潤(rùn)濕，粗糙表面則相反。3表面化學(xué)改性化學(xué)改性可以改變表面化學(xué)性質(zhì)，從而改變潤(rùn)濕性。例如，疏水性材料可以被改性為親水性。4表面鍍層鍍層可以改變表面性質(zhì)，例如鍍金可以提高導(dǎo)電性，鍍銀可以提高反射率。疏水性表面制備1表面改性技術(shù)表面改性技術(shù)通過(guò)改變材料表面化學(xué)結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到疏水性的目的?；瘜W(xué)氣相沉積(CVD)原子層沉積(ALD)等離子體處理2表面粗糙度通過(guò)改變材料表面粗糙度，從而達(dá)到疏水性的目的。微納米刻蝕電化學(xué)沉積噴涂3生物模仿通過(guò)模仿自然界中的疏水性表面，如荷葉表面，從而制備出具有高疏水性的表面。仿荷葉表面結(jié)構(gòu)仿仙人掌表面結(jié)構(gòu)仿蜘蛛網(wǎng)表面結(jié)構(gòu)生物模仿超疏水表面生物模仿超疏水表面是指通過(guò)模仿自然界中具有超疏水特性的生物表面來(lái)制備人工材料。例如，荷葉表面具有獨(dú)特的微納米結(jié)構(gòu)，使得水滴在其表面無(wú)法完全浸潤(rùn)，形成了滾動(dòng)狀的“荷葉效應(yīng)”。親水性表面制備親水性表面是指液體在固體表面上的潤(rùn)濕角小于90度，即液體能夠在固體表面上鋪展。親水性表面在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中都有著廣泛的應(yīng)用，例如，玻璃、陶瓷、塑料等材料。1表面改性通過(guò)化學(xué)方法改變材料的表面性質(zhì)，使其具有親水性。常用的表面改性方法包括等離子體處理、化學(xué)鍍層、光刻技術(shù)等。2材料選擇選擇本身就具有親水性的材料，例如，氧化鋁、二氧化鈦等。3表面處理通過(guò)物理方法改變材料的表面粗糙度，使其具有親水性。常用的表面處理方法包括機(jī)械拋光、激光刻蝕等。表面改性技術(shù)化學(xué)氣相沉積(CVD)在高溫下，通過(guò)氣相反應(yīng)將材料沉積到基底表面。CVD可以控制薄膜厚度和成分，適用于制備各種涂層。等離子體噴涂利用等離子體將粉末材料加熱并加速，使其與基底表面發(fā)生熔融結(jié)合。等離子體噴涂可以制備具有優(yōu)異耐磨性和耐腐蝕性的涂層。原子層沉積(ALD)通過(guò)逐層反應(yīng)，將原子或分子沉積到基底表面。ALD具有高度的厚度控制性和均勻性，適用于制備納米級(jí)薄膜。其他表面處理技術(shù)包括激光刻蝕、離子注入、電化學(xué)沉積等。這些技術(shù)可以改變表面的化學(xué)組成、粗糙度或其他性質(zhì)，以改變潤(rùn)濕性。表面粗糙度對(duì)潤(rùn)濕性的影響表面粗糙度影響接觸角粗糙表面會(huì)改變液滴與固體之間的接觸面積。表面粗糙度影響潤(rùn)濕性粗糙表面會(huì)改變接觸角的大小，影響材料的潤(rùn)濕性。表面粗糙度影響液體行為表面粗糙度可以使表面更疏水或更親水，影響液體在表面上的擴(kuò)散和流動(dòng)?；瘜W(xué)組成對(duì)潤(rùn)濕性的影響疏水性含氟或硅烷基材料，表面能低，疏水性強(qiáng)，接觸角大。親水性含羥基或羧基材料，表面能高，親水性強(qiáng)，接觸角小。極性極性材料，如水，與極性表面更容易形成氫鍵，增強(qiáng)潤(rùn)濕性。分子取向?qū)?rùn)濕性的影響疏水性表面疏水性表面上分子傾向于垂直于表面排列，從而減少與水的接觸面積，降低潤(rùn)濕性。親水性表面親水性表面上分子傾向于平行于表面排列，更容易與水分子形成氫鍵，提高潤(rùn)濕性。材料本征潤(rùn)濕性固體表面性質(zhì)材料的化學(xué)組成、表面能和表面粗糙度等因素決定了其本征潤(rùn)濕性。分子間力固體表面分子與液體分子之間的相互作用力，如范德華力和氫鍵，影響著潤(rùn)濕性。極性極性材料更容易被極性液體潤(rùn)濕，非極性材料更容易被非極性液體潤(rùn)濕。什么是粘附粘附是指兩個(gè)不同物體之間相互吸引并結(jié)合在一起的現(xiàn)象。粘附是一種重要的表面現(xiàn)象，在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用。粘附的定義分子間作用力粘附是指兩個(gè)不同物體表面之間產(chǎn)生的相互作用力，這種力主要是分子間作用力。表面接觸粘附通常發(fā)生在兩個(gè)表面相互接觸的時(shí)候，例如，膠帶粘在物體上，油漆附著在墻上。強(qiáng)度粘附強(qiáng)度是指物體表面之間相互作用力的強(qiáng)度，它通常用單位面積上的力來(lái)表示。粘附過(guò)程的三個(gè)階段1接觸物體表面互相接觸，形成相互作用力的前提2吸附分子間作用力導(dǎo)致物體緊密結(jié)合，形成初級(jí)粘附3擴(kuò)散分子發(fā)生相互擴(kuò)散，形成更牢固的結(jié)合粘附過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，涉及多個(gè)物理化學(xué)現(xiàn)象。三個(gè)階段之間相互影響，最終決定粘附強(qiáng)度。粘附力的影響因素表面能表面能是材料表面分子所具有的能量，它影響著材料之間的吸引力，進(jìn)而影響粘附力。表面能越高，材料越容易與其他材料結(jié)合，粘附力越強(qiáng)。表面形貌表面的粗糙度和幾何形狀也會(huì)影響粘附力。表面越粗糙，接觸面積越大，粘附力越強(qiáng)。表面形貌也會(huì)影響接觸點(diǎn)的應(yīng)力分布，進(jìn)而影響粘附力。表面化學(xué)性質(zhì)材料的化學(xué)組成和表面官能團(tuán)會(huì)影響其與其他材料的相互作用。例如，極性表面更容易與極性材料結(jié)合，而非極性表面更容易與非極性材料結(jié)合。環(huán)境因素溫度、濕度、壓力等環(huán)境因素也會(huì)影響粘附力。例如，溫度升高通常會(huì)導(dǎo)致粘附力下降，而濕度升高則可能增強(qiáng)某些材料之間的粘附力。表面能對(duì)粘附的影響11.表面能與分子間力表面能是材料表面分子之間相互作用力的體現(xiàn)，高表面能意味著材料具有較強(qiáng)的吸引力。22.吸引力與粘附性高表面能材料與其他材料接觸時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的分子間吸引力，從而促進(jìn)粘附。33.極性和分散力表面能由極性和分散力組成，兩者均影響粘附性，極性力更強(qiáng)。44.潤(rùn)濕和粘附表面能影響材料的潤(rùn)濕性，潤(rùn)濕性越好，粘附性也越好。表面形貌對(duì)粘附的影響粗糙表面表面粗糙度會(huì)增加接觸面積，從而增強(qiáng)粘附力。例如，粗糙的膠帶比光滑的膠帶粘性更強(qiáng)。納米尺度粗糙表面在納米尺度上，表面形貌可以顯著影響粘附力。例如，納米級(jí)凹凸結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)表面之間的接觸力，從而提高粘附性。表面化學(xué)性質(zhì)對(duì)粘附的影響極性極性表面更容易形成氫鍵和范德華力，從而增強(qiáng)粘附力。官能團(tuán)不同的官能團(tuán)具有不同的化學(xué)性質(zhì)，影響表面能和分子間的相互作用，進(jìn)而影響粘附力。表面電荷帶電荷的表面更容易吸引帶相反電荷的物質(zhì)，增強(qiáng)粘附力。環(huán)境因素對(duì)粘附的影響濕度濕度會(huì)影響表面上的水分子含量，從而影響粘附力。溫度溫度變化會(huì)改變材料的物理性質(zhì)，例如表面張力和粘性。氣壓大氣壓的變化可以影響粘附力，特別是當(dāng)粘合劑在低壓環(huán)境中使用時(shí)。輻射紫外線等輻射可以降解粘合劑的化學(xué)鍵，從而降低粘附力。粘附失效與防粘附粘附失效粘附失效是指兩個(gè)表面之間原本存在的粘附力消失或減弱的過(guò)程。它會(huì)導(dǎo)致表面分離或材料失效。粘附失效通常發(fā)生在以下幾種情況下：機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力、化學(xué)降解或表面污染。防粘附為了防止粘附失效，可以使用多種防粘