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基于表面張力方法判斷物質(zhì)(或材料)的親水性(二)
來(lái)源:信息記錄材料 瀏覽 311 次 發(fā)布時(shí)間:2024-06-04
1.3液-液界面的表面張力和液體親水性的判斷
如前所述,雖然物質(zhì)極性的強(qiáng)弱可以用以判斷其親水性的強(qiáng)弱,但是在實(shí)際中,會(huì)遇到一些極性很強(qiáng)而親水性不是那么明顯的物質(zhì),或者是一些反應(yīng)產(chǎn)生的新物質(zhì)(例如生產(chǎn)版材所需的一些聚合物),那么究竟如何來(lái)判斷這類物質(zhì)或者(這里的物質(zhì)都是液體)的親水性?生產(chǎn)實(shí)踐中經(jīng)常用的一種方法,就是直接實(shí)驗(yàn),拿印刷版材的生產(chǎn)來(lái)說(shuō),就是直接用材料制作版材,然后進(jìn)行制版實(shí)驗(yàn)來(lái)判斷親水性的好壞。毋庸置疑,這樣做確實(shí)直接的測(cè)試了版材這個(gè)體系的親水性,可以說(shuō)是簡(jiǎn)單而有效??墒菍?duì)于生產(chǎn)基礎(chǔ)材料的研究者來(lái)說(shuō),這樣的測(cè)試對(duì)研究材料的親水性幫助不大,對(duì)制作材料的原材料的親水性的研究也沒(méi)有幫助。下面本文通過(guò)研究液-液界面的表面張力,嘗試提出來(lái)判斷液體的親水性的方法。
液液界面,顧名思義就是液體之間形成的界面,只要是兩種液體不互溶或者說(shuō)互溶性不好,兩者相互接觸,就可以而形成的液液界面。根據(jù)研究,兩種液體,要形成液液界面,通常通過(guò)以下三種方式:黏附方式、鋪展方式和分散方式。
第一種方式,黏附方式。兩種不同的液體,液體A和液體B,互相相接觸后,兩者和氣體形成的表面同時(shí)消失,形成液體A和液體B之間的界面,也就是液液界面(AB)的過(guò)程,這就是黏附過(guò)程。該過(guò)程如圖2所示。
圖2黏附過(guò)程
如果液體A和液體B為同一種液體,那么這個(gè)黏附過(guò)程就稱為內(nèi)聚過(guò)程。在內(nèi)聚的過(guò)程中,液體A和液體B液體的表面消失,內(nèi)聚功(即該過(guò)程的黏附功)WAA=γA+γA+γAA,其中γAA為0,WAA=2γA,明顯WAA>0,即內(nèi)聚可以自發(fā)進(jìn)行。
由此可知,當(dāng)液液界面是黏附方式形成的,那么判斷黏附過(guò)程自發(fā)進(jìn)行的依據(jù)就是黏附功WAB,當(dāng)WAB>0時(shí)黏附過(guò)程可以自發(fā)進(jìn)行,也就是說(shuō)兩種液體之間的吸引強(qiáng)度較大。如果兩種液體之一(例如A)為水,那么黏附功的大小就可以判斷另一種液體(B)親水性的大小。
此外黏附功的計(jì)算式中γAB為A和B的液液界面張力,關(guān)于這個(gè)界面張力的計(jì)算,有多重理論,最簡(jiǎn)單的一種是Antonoff規(guī)則,該規(guī)則認(rèn)為γAB=γA飽和—γB飽和,式子中γA飽和、γB飽和指的是指的是液體A和液體B相互飽和后的表面張力,而不是其各自的表面張力。
第二種方式,鋪展方式。在上述的液-固界面的潤(rùn)濕作用,液體在固體表面的鋪展也可以引用到液液界面,不過(guò)此時(shí)的鋪展過(guò)程復(fù)雜一些。比如在清潔的水面上,滴加不溶性“油”滴,此時(shí)的“油”在水面上,可能表現(xiàn)出三種不同的狀態(tài):
第一種狀態(tài),“油”在水面上,形成一層雙重膜,也就是形成了液體水與膜的界面,和膜與空氣的界面,如此一來(lái),“油”在水面上鋪展形成了兩個(gè)獨(dú)立界面。
第二種狀態(tài),“油”在水面上不鋪展,而是呈“透鏡”狀態(tài)。
第三種狀態(tài),“油”在水面上,先鋪展成單分子膜;多余的“油”,則會(huì)呈現(xiàn)“透鏡”狀態(tài),并且單分子膜與“透鏡”保持平衡。
這三種狀態(tài)如圖3所示。
圖3鋪展過(guò)程
其中,WAB代表“油”與水的黏附功;而WBB則是油的內(nèi)聚功。由此可知,當(dāng)“油”與水的黏附功比這種“油”的內(nèi)聚力還強(qiáng)時(shí),“油”就會(huì)在水的表面上鋪展。參照水在固體表面的鋪展,此時(shí)可以說(shuō)此種“油”類的親水性較好。
第三種方式,分散。分散是指液體A分散到另外一種與之互不相容的液體B中,形成A、B混合物的過(guò)程,過(guò)程如圖4所示。
圖4分散過(guò)程
由此可知,當(dāng)液液界面是分散方式形成的,那么判斷分散過(guò)程自發(fā)進(jìn)行的依據(jù)就是分散系數(shù)F,當(dāng)F>0時(shí),分散過(guò)程可以自發(fā)進(jìn)行,那么在其他條件相同,可以判斷分散過(guò)程能夠自發(fā)進(jìn)行的物質(zhì)親水性好于不能自發(fā)進(jìn)行的物質(zhì)。
結(jié)論
為了能夠更加準(zhǔn)確地衡量物質(zhì)(或材料)的的親水性,本文研究了液-固界面和液-液界面的一些性質(zhì),探討了使用表面張力為主要工具來(lái)衡量物質(zhì)(或材料)的親水性。相比于簡(jiǎn)單的使用極性來(lái)判斷物質(zhì)(或材料)的親水性,使用表面張力這一工具能夠比較好的標(biāo)示物質(zhì)(或材料)的親水性。表面張力法(標(biāo)示親水性)具體應(yīng)用為:
1、液-固界面,鋪展系數(shù)S=γg-l(COSθ-1),式子中γg-l,θ都可以測(cè)量出來(lái),那么S就可以計(jì)算出來(lái)。如果若S≥0,說(shuō)明液體可以在固體表面自動(dòng)鋪展。說(shuō)明該固體親水性較好。
2、液-液界面。第一種情況,黏附過(guò)程形成的界面,黏附功,γA代表液體A的表面張力;γB分別代表液體B的表面張力;γAB為代表液體A和液體B的液液界面張力,WAB則代表為黏附功,黏附功反映的是不同液體間的相互吸引強(qiáng)度。當(dāng)WAB>0時(shí),黏附過(guò)程可以自發(fā)進(jìn)行。此時(shí)該液體的親水性較好。第二種情況,鋪展過(guò)程形成的界面,則,S為鋪展系數(shù),若S>0,則體系的鋪展過(guò)程能自發(fā)進(jìn)行。此時(shí)該液體的親水性較好。第三種情況,分散過(guò)程形成的液液界面,F(xiàn)=-ΔG=—γAB,F(xiàn)為分散系數(shù),當(dāng)F>0時(shí),分散過(guò)程可以自發(fā)進(jìn)行,那么在其他條件相同,可以判斷分散過(guò)程能夠自發(fā)進(jìn)行的物質(zhì)親水性好于不能自發(fā)進(jìn)行的物質(zhì)。
值得注意的是,與通過(guò)極性判斷親水性不同,本文討論的方法即表面張力法完全是通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定表面張力(和接觸角)來(lái)判定親水性,所以本方法依賴于實(shí)驗(yàn)多過(guò)理論,而且親水性的強(qiáng)弱可以由數(shù)據(jù)直觀地反應(yīng)出來(lái),可以說(shuō)是比較可靠的方法。