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表面活性剂的润湿性能

液体对固体的润湿过程实际上是液体取代固体表面气体的过程。

水在清洁平整的玻璃上可以顺利的铺展开来

在荷叶上的水则成水滴状.

液体在固体表面形状的不同可以说明液体对固体表面的润湿程度,上述中,前者是很好的润湿状态,后者是不良的润湿状态。

在纺织染整领域中,润湿扮演着非常重要的角色,涉及众多类型表面活性剂(印染助剂)。染整工艺处理中,往往需要借助表面活性剂的润湿性能来保证染料和助剂在织物上发挥作用。

了解润湿的基本概念对印染助剂的研发、销售及印染技术人员都十分重要,而了解润湿之前,需要先来了解几个基本的概念。



表 面 张 力

任何自然状态下的液体都有自发地减小其自身表面积的趋势,表面积的减小是降低其状态能量的有效途径。(低能稳定、高能活泼)

液体表面分子所受到的来自气相的吸引力远小于来自液体内部分子的吸引力,因此液体表面分子实际上受到垂直于液体表面且指向液体内部的合力。这个收缩液面的合力就是液体的表面张力。

在同一条件下,不同液体的表面张力是不同的:


同一液体,在不同条件下,其表面张力是不同的:

接 触 角

在三种介质的边界面相交于一点的情形中,接触线受到三个不同边界面的表面张力,为了维持平衡,表面张力的合力在这些方向上的分量必须等于零,这就要求三个边界面交成一定的角度。

接触角(contact angle是指在气、液、固三相交点处所作的气-液界面的切线,此切线在液体一方的与固-液交界线之间的夹角θ,是润湿程度的量度。


若θ<90°,则固体表面是亲水性的,即液体较易润湿固体,其角越小,表示润湿性越好;若θ>90°,则固体表面是疏水性的,即液体不容易润湿固体,容易在表面上移动。至于是否液体能进入毛细管,这个还与具体液体有关,并非所有液体在较大夹角下完全不进入毛细管。

润湿过程与体系的界面张力有关。一滴液体落在水平固体表面上,当达到平衡时,形成的接触角与各界面张力之间符合下面的杨氏公式:

γSVSL= γLV×cosθ

由它可以预测如下几种润湿情况:


1)当θ=0,完全润湿;

2)当θ﹤90°,部分润湿或润湿;

3)当θ=90°,是润湿与否的分界线;

4)当θ﹥90°,不润湿;

5)当θ=180°,完全不润湿。


了解了表面张力和接触角的概念,表面活性剂的润湿性能就变得容易理解了。

在液体中溶解另外的物质即形成溶液,溶质的介入往往可以明显改善液体原有的表面张力,例如,在水中溶解一定数量的表面活性剂类物质可以使水的表面张力明显降低。溶质使溶剂表面张力降低的性质叫做溶质的表面活性。


表面活性剂的润湿性能就是通过降低整理液(液体)的表面张力,使整理液与织物(固体)表面的接触角减小(<90°),实现润湿。


扩展

临 界 表 面 张 力

研究学者认为cosθ值直接反映了液滴对固体的润湿能力。当cosθ=1的时,液滴与固体之间的接触角(θ)为零,固体表面被液滴完全润湿(液滴在固体表面铺展),液/固相之间的黏附功超过了液滴的内聚功。在此状态下,该液体的表面张力定义为该接触固体的临界表面张力(γC)。

其意义在于,只有表面张力低于γC的液体,才能在该固体表面铺展(完全润湿),而表面张力高于γC的液体,则在固体表面形成不连续的液滴,其接触角大于零。





举例说明:

在20℃时,水的表面张力(72.8mN/m)小于纤维素纤维的临界表面张力(200mN/m),而大于锦纶的临界表面张力(46mN/m),因此,水能完全润湿纤维素纤维(接触角θ=0°),而与锦纶的接触角大于零,在其表面形成不连续的液滴。








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