表面活性劑能夠降低溶液的表面張力，由于膠束的存在，改變了物系的界面狀態(tài)，并產(chǎn)生了乳化、起泡、分散、增溶及催化作用。隨著科技的發(fā)展，表面活性劑的發(fā)展也十分迅速，已經(jīng)從早期主要應(yīng)用于洗滌、紡織等行業(yè)逐步拓展到國民經(jīng)濟的各個部門，如食品、制藥、紡織、金屬加工、石油、建筑等行業(yè)。第三章表面活性劑的作用§3.1增溶作用§3.2潤濕作用§3.3乳化作用§3.4起泡與消泡作用§3.5洗滌作用

潤濕：是指一種流體被另一種流體從固體表面或固-液界面所取代的過程。即潤濕過程往往涉及三相，其中至少兩相為流體。

潤濕是一種十分普遍的現(xiàn)象，常見的潤濕過程是固體表面的氣體被液體取代，或是固-液界面上的一種液體被另一種液體所取代。例如洗滌、印染、潤滑、原油開采等潤濕是前提。但有些場合又要防止?jié)櫇?，如防水、防油等?！?.2潤濕作用§3.2潤濕作用3.2.1潤濕過程

潤濕過程分類：固液界面——潤濕過程的基本特征沾濕浸潤鋪展§3.2潤濕作用1、沾濕指液體與固體相互接觸，將原來的液氣界面和固氣界面變?yōu)楣桃航缑娴倪^程。主要指液-氣表面和固-氣表面的氣體被液體取代的過程。如農(nóng)藥的噴灑時農(nóng)藥附著于植物的葉面上。§3.2潤濕作用σ—表面張力或界面張力單位表面過剩自由能σgl+σgs-σsl=WaWa—粘附功

σgl+σgs→σsl

在等溫等壓條件下，單位面積的液面與固體表面粘附時對外所作的最大功稱為粘附功。也可看做是使相互間接觸的固液界面自交界處拉開，外界需要對體系作的最大功。

是固液兩相界面結(jié)合能及兩相分子間相互作用力大小的表征。它是液體能否潤濕固體的一種量度。粘附功越大，液體越能潤濕固體，液-固結(jié)合得越牢。從能量角度講，即體系的能量越低越穩(wěn)定。§3.2潤濕作用所以，σgl+σgs≥σsl

，即σgl+σgs-σsl≥0，

Wa≥0沾濕過程能夠自發(fā)進行?！?.2潤濕作用σgl+σgl→σll而σll=0Wa

=σgl+σgl-0=WcWc——內(nèi)聚功(自粘功)反映了液體自身間結(jié)合的牢固程度，是液體分子間作用力大小的表征。2.浸潤指固體浸入液體的過程。如洗衣時將衣物泡在水中。§3.2潤濕作用σsg→σslσsg-σsl=WiWi——浸濕功§3.2潤濕作用Wi——等溫、等壓條件下，將單位表面積的固體可逆地浸入液體中所作的最大功稱為浸濕功。反映了液體在固體表面上取代氣體的能力。σsl＞σsgWi≥03.鋪展液體取代固體表面上的氣體，將固-氣表面用固-液界面取代的同時，液體表面能夠擴展的現(xiàn)象即為鋪展。如農(nóng)藥噴灑于作物表面。再如，撲滅油類火災(zāi)的滅火劑，必須要求水溶液在油上鋪展?！?.2潤濕作用§3.2潤濕作用σsg→σsl+

σlgσsg-(σsl+

σlg)

=SS——鋪展系數(shù)液體Si/(N·m-1)結(jié)論正一十六烷

正一辛烷

正一辛醇0.0728－(0.0524＋0.0300)＝-0.0093

0.0728－(0.0508＋0.0218)＝+0.0002

0.0728－(0.0085＋0.0275)＝+0.0368不能在水面上鋪展

僅能在純水面上鋪展

能在污染水面上鋪展幾種有機液體在水面上的鋪展系數(shù)§3.2潤濕作用S——指等溫、等壓條件下，單位面積的液固界面取代單位面積的氣固界面并產(chǎn)生氣液界面過程表面自由能變化值。§3.2潤濕作用

若S≥0，液體可以在固體表面自動鋪展，液體會連續(xù)從固體表面取代氣體，只要液體量足夠多，液體可以自發(fā)鋪展在整個固體表面。σsg≥σsl+

σlg即S≥0§3.2潤濕作用

而S=σsg-(σsl+

σlg)=σsg-σsl–

σlg

=A

–σlg只有A＞σlg

時

S＞0

由鋪展及浸濕的概念可知，在鋪展過程中同時有浸濕過程發(fā)生，把此過程的浸濕功稱為粘附張力。

A——反映了鋪展過程中對抗液體收縮表面的能力，也反映了液體發(fā)生鋪展的能力大小。A=σsg-σsl§3.2潤濕作用

則S=σsg-(σsl+

σlg)=σsg-σsl–

σlg

=σsg+

σlg-σsl–

σlg–

σlg

=Wa–Wc

只有Wa＞W(wǎng)c時

S＞0可以將粘附功與內(nèi)聚功的概念用于鋪展系數(shù)

綜上所述，潤濕過程有以下特點：⑴潤濕是一種界面現(xiàn)象，在此過程中界面的性質(zhì)和體系的能量會發(fā)生變化。⑵潤濕發(fā)生的條件：沾濕：浸濕：鋪展：§3.2潤濕作用S

=σsg-(σsl+

σlg)≥0Wi

=σsg-σsl≥0Wa

=σgl+σgs-σsl≥0Wa＞W(wǎng)i＞S

若S＞0，則Wa＞W(wǎng)i＞0所以，S是體系潤濕性的指標。⑶體系界面張力對潤濕過程的影響§3.2潤濕作用σgs——

大，Wa、Wi、S大σsl——小，Wa、Wi、S大σgl——S

=σsg-(σsl+

σlg)Wi=σsg-σslWa

=σgs+

σgl-σsl大，Wa大小，S大

由界面張力可以判斷潤濕過程能否進行，還可以進一步判斷潤濕類型；相反，通過改變界面張力可以獲得需要的潤濕效果。§3.2潤濕作用3.2.2接觸角和潤濕方程液體滴在固體表面鋪展形成液滴

在氣、液、固三相交界點，自氣-液界面經(jīng)過液體內(nèi)部到固液界面之間的夾角稱為接觸角，通常用θ表示。1、接觸角和潤濕方程的概念§3.2潤濕作用3.2.1接觸角和潤濕方程當液滴處于平衡狀態(tài)時，在O點的合力為0，即：σgs=σlgcosθ+σslσgs-σsl=σlgcosθ——潤濕方程§3.2潤濕作用3.2.1接觸角和潤濕方程S

=σsg-(σsl+

σlg)Wi=σsg-σslWa

=σgs+

σgl-σsl因為所以Wa

=σgs+

σgl-σslS

=σlg·cosθ-σgl=σgl(cosθ-1)Wi=σsg-σsl=

σlgcosθWa

=σlg·cosθ+σgl=σgl(cosθ+1)σgs-σsl=σlgcosθ§3.2潤濕作用

所以，可以用接觸角θ來衡量潤濕程度，判斷潤濕過程。Wa≥0，即σgl(cosθ+1)≥0則θ≤180o沾濕Wi≥0，即σglcosθ≥0則θ≤90o浸濕S≥0，即σgl(cosθ-1)≥0則θ≤0o或不存在鋪展

若接觸角大于90°，說明該液體不能潤濕該固體，該固體叫做憎液固體，如汞在玻璃表面，水在石蠟表面；

若接觸角小于90°，該液體能潤濕該固體，該固體叫做親液固體，如水在潔凈的玻璃表面?！?.2潤濕作用θ＞90o，液體不潤濕，θ＜90o，潤濕，θ=0o或者不存在，鋪展。一般把θ=90o定為潤濕與否的標準θ越小，潤濕性越好?！?.2潤濕作用小結(jié)1、潤濕過程2、潤濕過程的特點3、潤濕角4、潤濕方程1、角度測量法是一類應(yīng)用最廣、較方便簡單、最直接的方法。其原理是用量角器直接量出三相交界處流動界面與固體平面的夾角。主要做法有投影法、攝影法、顯微量角法、斜板法和光點反射法?！?.2潤濕作用

接觸角的大小可以用公式計算，也可以用實驗測量：

（1）直接法就是用量角器直接量出接觸角的大小。

§3.2潤濕作用優(yōu)點：操作簡單缺點：切線不易畫準確

（2）斜板法原理：將固體板插入液體中，當板面與液面的夾角恰為接觸角時，液面一直延伸至三相交界處而不出現(xiàn)彎曲，此夾角即為接觸角?！?.2潤濕作用優(yōu)點：測量精度高缺點：液體用量大

（3）光點反射法原理：利用一個點光源照射到小液滴上，并在光源處觀察反射光，當入射光與液面垂直時，才能在液面看到反射光。測定時，使光點落在三相點位，并以此為中心，改變?nèi)肷涔饨嵌龋怪诠腆w表面的法平面中作圓周運動，當光線在某位置突然變亮?xí)r，入射光與固體平面法線的夾角即為接觸角。優(yōu)點：測量精度較好，可用于測定纖維的接觸角，缺點：只能測定小于90°的接觸角?！?.2潤濕作用

將液體加于平固體表面使之成為液滴，不斷增加液體量至滴高達最大（即高度不變），此時若再加入液體則往兩邊擴展（r變大）成一圓形液餅，設(shè)平衡時液滴半徑為r，高度為h，即可計算出θ。§3.2潤濕作用2、長度測量法（1）液餅法§3.2潤濕作用θ接觸角θ=∠BAC

（2）小滴法測量在固體平面上小液滴的高度和寬度，§3.2潤濕作用2、長度測量法

可求出θ，此法假設(shè)液滴是球形的一部分。因此，只有在液滴很小，重力的影響可略時才能應(yīng)用。由（3）垂片法將一固體片垂直插入液體中，液體沿片上升的高度與θ之間有如下關(guān)系。

當ρ、σl-g已知，只要測出h，便可得θ。§3.2潤濕作用3、力測量法應(yīng)用吊片法裝置亦可測θ。當?shù)跗媒佑|液面時，液體作用于吊片的力為f。

§3.2潤濕作用4、透過測量法主要用于固體粉末接觸角的測量。基本原理：固體粒子間的空隙，相當于一束毛細管，毛細作用使液體透入粉末中，由于毛細作用與液體的表面張力和對固體的接觸角有關(guān)，故通過測定某種已知表面張力的液體在固體粉末中的透過，可得到接觸角θ?！?.2潤濕作用

由上式可見，只要測得粉末間孔隙的平均半徑r及透過高度h，即求出θ?！?.2潤濕作用

固體粉末裝在一以多孔板為底的玻管中，液面在毛細作用下沿管中粉末柱上升h。通過測定h、h0可求得θ。使用此方法應(yīng)注意粒子的均勻性及裝填情況?！?.2潤濕作用

但由于r值無法直接測定，故常用一已知表面張力，密度和對粉末接觸角θ為0的液體來標定。

前面介紹了一些常用的測定接觸角的方法，實施時應(yīng)注意以下兩個問題：平衡時間和體系溫度的恒定。當體系未達平衡時，接觸角會變化，這時的接觸角稱為動接觸角，動接觸角研究對于一些粘度較大的液體在固體平面上的流動或鋪展有重要意義（因粘度大，平衡時間長）。同時，對于溫度變化較大的體系，由于表面張力的變化，接觸角也會變化。因此，若一已基平達平衡的體系，接觸角的變化，可能與溫度變化有關(guān)，簡單判斷影響因素的方法是，平衡時間的影響一般是單方向的，而溫度的波動可能造成σ的升高或降低?！?.2潤濕作用

除平衡時間和溫度外，影響接觸角穩(wěn)定的因素還有接觸角滯后和吸附作用。（1）接觸角滯后①前進接觸角和后退接觸角前進接觸角，以液固界面取代固氣界面后形成的接觸角為前進接觸角θA，如將固體板插入液體中；后退接觸角則相反，即以固氣界面取代固液界面后形成的接觸角叫后退接觸角，用θR表示，如水滴在斜玻璃板上。流動可形成前進接觸角和后退接觸角?！?.2潤濕作用②接觸角滯后及原因指前進接觸角與后退接觸角之差稱為接觸角滯后（θA-θR），造成接觸角滯后的主要原因有：表面不均勻是造成接觸角滯后的一個重要原因，若固體表面由與液體親合力不同的兩部分a、b組成，則液體對復(fù)合表面的接觸角與對兩種純固體表面成分自身的接觸角的關(guān)系是：COSθ=XaCOSθa+XbCOSθbXa、Xb指a、b的摩爾分數(shù)，θa、θb指液體在a固體和b固體上的接觸角?！?.2潤濕作用

實踐表明，前進角一般反映與液體親合力較弱的那部分固體表面的潤濕性，因此，θA較大（COSθ?。笸私欠从撑c液體親合力較強的那部分固體表面的性質(zhì)，因此，θR較小。對于一些無機固體，由于表面能較高，固而極易吸附一些低表面能的物質(zhì)而形成復(fù)合表面，因此，造成液體對這種復(fù)合表面形成的接觸角滯后現(xiàn)象。可見，欲準確測定一種固體的接觸角，必須保證固體表面不受污染?！?.2潤濕作用b.表面不平表面不平也是造成接觸角滯后的主要因素，若將一玻璃粗化后，將一水滴滴在傾斜玻璃上，則出現(xiàn)接觸角滯后。

Wenzel研究了固體表面粗度對潤濕性的影響，他指出，一個給定的幾何面經(jīng)粗化后，必然使表面積增大，若以r表示粗化程度，則

r=A（真實）/A（表觀）§3.2潤濕作用§3.2潤濕作用3.2.3表面活性劑與固體表面的潤濕

表面活性劑可以降低液體表面張力，改變接觸角的大小，從而達到所需的目的。

例如，要農(nóng)藥潤濕帶蠟的植物表面，要在農(nóng)藥中加表面活性劑。

比如，下雨，能不能改變雨水的表面張力呢？

是不是所以的情況都可以通過改變液體的表面張力達到我們的目的呢？木地板，能改變水或油的表面張力嗎？§3.2潤濕作用1、固體表面張力及大小舉例：鐵木頭蠟燭表面張力大小相同嗎？可以用什么方法簡單判斷其大小關(guān)系？表面張力？§3.2潤濕作用高能表面低能表面500～5000mN/m低于100mN/m易被液體所潤濕不易被液體所潤濕如無機固體、陶瓷、金屬及其氧化物等如有機固體、高聚物固體。固體表面潤濕性有區(qū)別嗎？舉例鐵塑料水油潤濕不潤濕潤濕潤濕

高能表面潤濕性好，低能表面潤濕性差?！?.2潤濕作用如農(nóng)藥、葉面肥、高能表面潤濕性好不能潤濕固體表面張力降低什么值低能表面潤濕性差潤濕性好如雨傘、木地板、樓房房頂怎樣降低液體表面張力降低什么值怎樣降低刷高分子(油漆)、吸附SAA2、低能表面的潤濕及臨界表面張力近年來，隨著高聚物的廣泛應(yīng)用，低能表面的潤濕問題越來越引起人們的重視，如某些高聚物做成的生產(chǎn)用品和生活用品，就要求其能很好地為水所潤濕（加入某些無機氧化物可能是有效的辦法）。

§3.2潤濕作用§3.2潤濕作用Zisman等人首先發(fā)現(xiàn)，同系列不同液體在同一固體表面的接觸角隨液體表面張力的降低而變?。é摇?，θ↓，COSθ↑，S=σgl(COSθ-1)↑，有利于鋪展的進行）。若以COSθ對σgl作圖，可得一很好的直線，將直線外推至COSθ=1處（θ=0），相應(yīng)的表面張力將為此固體的潤濕臨界表面張力，稱為σc。1）臨界表面張力§3.2潤濕作用1）、臨界表面張力σc—臨界表面張力低能固體表面的屬性，不同的固體表面，其值不同。表3-1一些固體表面的臨界表面張力水和乙醇可潤濕那幾個表面？

若為非同系列液體，以COSθ對σgl作圖通常也顯示線性關(guān)系，將直線外推至COSθ=1處，亦可得σc。

σc是表征固體表面潤濕性的經(jīng)驗參數(shù)，對某一固體而言，σc越小，說明能在此固體表面上鋪展的液體便越少，其可潤濕狀越差（即表面能較低）。①固體的潤濕性與分子的極性有關(guān)，極性化合物的可潤濕性明顯優(yōu)于相應(yīng)的完全非極性的化合物。如纖維素的σc=40～45，而聚乙烯為31。②高分子固體的可潤濕性與其元素組成有關(guān)，在碳氫鏈中氫被其他原子取代后，其潤濕性能將明顯改變。用氟原子取代使σc變小（如聚四氟乙烯為18），且氟原子取代越多，σc越?。ň郏蚁?8）。而用氯原子取代氫原子則使σc變大，潤濕性可提高，如聚氯乙烯的σc為39，大于聚乙烯的31?！?.2潤濕作用從實驗測得各種低能表面的σc值，并總結(jié)出一些經(jīng)驗規(guī)律：③附有兩親分子單層的高能表面顯示出低能表面的性質(zhì)。這說明決定固體表面潤濕性能的是其表面層的基團或原子，而與基體性質(zhì)關(guān)系不大。因此，當表面層的基團相同時不管基體是否相同，其σc大致相同。§3.2潤濕作用§3.2潤濕作用2）低能表面的潤濕

實際生產(chǎn)生活中，有時希望固體表面被潤濕，有時又希望固體表面不被潤濕，為了達到目的，就要對高能固體表面進行改造。

可使用表面活性劑改變其潤濕性，高能表面吸附SAA后即變成低能表面，其臨界表面張力和潤濕性取決于被吸附的單層SAA的性質(zhì)和排列狀態(tài)。一些單分子層的臨界表面張力見表3-2.2、高能表面的自憎現(xiàn)象雖然許多液體可在高能表面上鋪展，如煤油等碳氫化合物可在干凈的玻璃，鋼上鋪展，但也有一些低表面張力的液體不能在高能表面上鋪展。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于這些有機液體的分子在高能表面上吸附并形成定向排列的吸附膜，被吸附的兩親分子以極性基朝向固體表面，而非極性基朝外排列從而使高能表面的組成和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。即從高能表面變成低能表面，當?shù)湍鼙砻娴摩襝小于液體的σlg值時，這些液體便不能在自身的吸附膜上鋪展，這種現(xiàn)象叫做自憎現(xiàn)象?！?.2潤濕作用

可利用自憎現(xiàn)象改變固體表面的潤濕性，如常用一些有自憎現(xiàn)象的油作為一些精密機械中軸承的潤滑油，因為這樣做可以防止油在金屬零件上的鋪展而形成油污?！?.2潤濕作用§3.2潤濕作用

表面活性劑具有雙親結(jié)構(gòu)，能夠在表面發(fā)生定向吸附，降低液體表面張力，故可用來改變體系的潤濕性質(zhì)。其潤濕作用主要表現(xiàn)在以下兩個方面：3表面活性劑對固體潤濕性的影響1）在固體表面發(fā)生定向吸附極性基（親水基）朝向固體，親油基（非極性基）朝向氣體，從而吸附在固體表面，形成定向排列的吸附層，使自由能較高的固體表面轉(zhuǎn)化為低能表面，達到改變潤濕性能的目的。如木地板打蠟、屋頂防水層SAA在高能表面吸附是變高能表面為低能表面的有效方法，但有時要注意使用濃度。如云母，是自由能較高的表面，水可以在其上鋪展，當用表面活性劑溶液處理后，如果溶液的濃度增加到接近cmc時，云母表面變?yōu)槭杷砻?，因為發(fā)生了單分子層吸附，親水基朝云母表面而親油基朝空氣，即變的疏水了。若增大表面活性劑濃度超過cmc后，云母表面又變得親水了，此時發(fā)生了雙分子層吸附。第二層的分子與第一層的親油基靠攏而將親水基露在了空氣中從而又具有了親水性?！?.2潤濕作用SAA在高能表面吸附可以是物理吸附，也可以是活性吸附。如十二胺在石英表面的吸附烷基二硫代碳酸鹽在硫化礦表面的吸附常用的SAA高級脂肪酸、高級脂肪酸的金屬皂、陰離子SAA、陽離子SAA、有機硅、有機氟等SAA?！?.2潤濕作用2）提高液體的潤濕能力水在低能表面不能鋪展，為改善體系的潤濕性質(zhì)，常在水中加入表面活性劑，降低水的表面張力，使其小于固體的臨界表面張力，從而能夠潤濕固體的表面。這種能降低水的表面張力，提高低能表面潤濕性的SAA叫做潤濕劑。潤濕劑能使液體潤濕或加速固體表面的潤濕?！?.2潤濕作用小結(jié)1、固體表面張力——高能、低能表面2、低能表面的臨界表面張力3、SAA對固體表面潤濕性的影響1）分子結(jié)構(gòu)良好的潤濕劑碳氫鏈中應(yīng)該有分支，親水基位于長碳鏈的中部。這種結(jié)構(gòu)的SAA其CMC高，可使水的表面張力降低的多。

2）性質(zhì)具有較高的表面活性，有良好的擴散和滲透性，能迅速地滲入固體顆粒的縫隙間或孔性固體的內(nèi)表面發(fā)生吸附。目前作為潤濕劑使用的主要是陰離子和非離子型表面活性劑。陽離子SAA易形成親油基向外的吸附層?！?.2潤濕作用

為了獲得良好的潤濕效果，作為潤濕劑表面活性劑在結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上應(yīng)滿足如下要求：四、表面活性劑在潤濕方面的應(yīng)用

1.礦物的泡沫浮選（1）定義：礦物的浮選法是指利用礦物表面疏水-親水性的差別從礦漿中浮出礦物的富集過程，也叫做浮游選礦法。許多重要的金屬在粗礦中的含量很低，在冶煉之前必須設(shè)法將金屬同粗礦中的其他物質(zhì)分離，以提高礦苗中金屬的含量。目前，銅礦、鉬礦、鐵礦、金礦等都是采用浮選法對礦石進行處理?！?.2潤濕作用（2）浮選法原理借助氣泡浮力來浮游礦石，實現(xiàn)礦石和脈石分離的選礦技術(shù)。浮選過程使用的浮選劑由捕集劑、氣泡劑、調(diào)整劑組成，其中捕集劑和起泡劑主要是由各類表面活性劑組成?！?.2潤濕作用

捕集劑的作用是以其極性基團通過物理吸附、化學(xué)吸附和表面化學(xué)反應(yīng)，在礦物表面發(fā)生選擇性吸附，以其非極性基團或碳氫鏈向外伸展，將親水的礦物表面變?yōu)槭杷谋砻?，便于礦物與體系中的氣泡結(jié)合。起泡劑在礦漿中產(chǎn)生大量的泡沫，可以使有用礦物有效地富集在空氣與水的界面上。起泡劑還可以防止氣泡并聚，延長氣泡在礦漿表面存在時間的作用?！?.2潤濕作用浮游選礦的原理圖

選擇合適的捕集劑，使它的親水基團只吸在礦砂的表面，憎水基朝向水。

當?shù)V砂表面有5%被捕集劑覆蓋時，就使表面產(chǎn)生憎水性，它會附在氣泡上一起升到液面，便于收集。§3.2潤濕作用（3）浮選過程將粉碎好的礦粉倒入水中，加入捕集劑，捕集劑以親水基吸附于礦粉表面，疏水基進入水相，礦粉親水的高能表面被疏水的碳氫鏈形成的低能表面所替代，有力圖逃離水包圍的趨勢。向礦粉懸浮液中加入發(fā)泡劑并通空氣，產(chǎn)生氣泡，發(fā)泡劑的兩親分子會在氣-液界面做定向排列，將疏水基伸向氣泡內(nèi)，而親水的極性頭留在水中，在汽-液界面形成單分