固体表面润湿的沾湿、浸湿和铺展过程

众所周知，水在荷叶上呈水珠状，荷叶稍倾斜，水珠即可在重力作用下滚落，因此我们说水不润湿荷叶。我们将手在水中浸过之后，手上即沾有一层水，我们说手湿了。将干净玻璃上的水倒掉后，玻璃是湿的，但将玻璃上的汞倒掉后，玻璃上无汞。防雨布不易被水润湿，而普通的棉布易被水浸湿。这些现象是经常遇到的，要解释这些现象必须弄清楚什么是润湿。

显然，润湿是一种界面现象。从更普遍的意义上说，润湿是指一种流体从固体表面置换另一种流体的过程。从微观的角度来看，润湿固体的流体在置换原来固体表面上的流体后，本身与固体表面是在分子水平上的接触，它们之间无被置换相的分子。最常见的润湿现象是固体表面上的气体被液体取代的过程，如水在玻璃表面置换空气而展开。

研究润湿现象的目的是了解固体润湿的规律，从而按人们的要求改变液体对固体的润湿性。又因为润湿现象是固体表面结构与性质、液体性质以及固-液界面分子间相互作用等微观特性的宏观结果，因此，研究润湿现象也可为不易得到的表面性质提供信息。

润湿现象分为沾湿、浸湿和铺展三种类型，润湿方式或过程不同，润湿的难易程度和润湿的条件也不同，下面分别介绍。

1.沾湿

如果液相（l）和固相（s）按图1-10所示的方式接合（固液两相接合），则称此过程为沾湿。这一过程的总结果为：消失一个固-气界面和一个液-气界面，产生一个固-液界面。若设固-液界面为单位面积，则在恒温恒压下，此过程引起体系自由能的变化为

式中 σ_ls、σ_gs、σ_gl——液-固、气-固和气-液界面张力（或单位面积的界面吉布斯自由能）。

并令W_a＝-ΔG，则

式中 W_a——黏附功，是液固沾湿时体系对环境所做的最大功。

沾湿是指液体在固体表面上的黏附，因此在讨论沾湿时，常用黏附功的概念。显然W_a越大，体系越稳定，则液固沾湿性越好。所以W_a≥0是液体沾湿固体的条件，如农药能黏附在植物枝叶上就是沾湿问题。

图1-10 沾湿过程

图1-11 浸湿过程

2.浸湿

将固体小方块（S），按图1-11所示方式浸入液体中，如果固体表面的气体均被液体置换，则称此过程为浸湿。浸湿是将固体完全浸入到液体中的过程，该过程是将气-固界面变为液-固界面的过程，而液体表面在这个过程中没有变化。在浸湿过程中，体系消失了固-气界面，产生了固-液界面。若固体小方块的总面积为单位面积，则在恒温、恒压下，此过程所引起的体系自由能变化为

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式中 W_i——润湿功。

W_i≥0是液体自动润湿固体的条件。W_i值越大，则液体在固体表面上取代气体的能力越强。W_i在润湿作用中又称为黏附张力，常用A表示，则A＝W_i＝σ_gs-σ_ls。

图1-12 液体在固体表面上的铺展

3.铺展

置一液滴于一固体表面，恒温、恒压下，若此液滴在固体表面上自动展开形成液膜，则称此过程为铺展润湿。在此过程中，失去了固-气界面，形成了固-液界面和液-气界面（同时还扩大了液-气界面），如图1-12所示。设液体在固体表面上展开了单位面积，则体系自由能的变化为

式中 S——铺展系数。

S≥0是液体在固体表面上自动铺展的条件。当S≥0时，只要液体的量足够，就会连续地从固体表面上取代气体，自动铺满固体表面。整理得

这说明三种润湿过程均与黏附张力有关。对于同一体系，有W_a﹥W_i＞S，故只要S≥0，即能自动铺展的体系，其他润湿过程皆能自发进行。因此，常用铺展系数作为体系润湿性能的表征。

以上是用热力学方法对三种润湿情况的讨论。但在三种界面自由能中，只有σ_gl可由试验测出，而σ_gs和σ_ls目前还无法测定，因此以上分析有理论意义，实际应用遇到困难。幸而人们发现润湿现象还与接触角有关，而接触角是可以由试验来测定的。

4.接触角及接触角与润湿的关系

（1）接触角 将少量液体滴加于固体表面上，液体可能形成液滴。在达到平衡时，处在某种固体表面上的某种液体，会保持一定的液滴形状。在固、液、气三相交点处，气-液界面或切线与固-液界面的水平线之间的夹角（θ总在液相内）为接触角，如图1-13所示。

图1-13 接触角

（2）杨氏方程（Young方程）液滴在固体表面上保持一定的形状，是三个界面张力在三相交界线任意点上合力为零的结果，即，这就是著名的杨氏方程。其中σ_gs和σ_gl是固体和液体的表面张力（或表面自由能）。此式也可以写成。

（3）接触角与润湿现象的关系 将杨氏方程与式结合得；与式结合得；与式结合得。以上三个公式说明，原则上只要测定了液体的表面张力σ_gl和接触角θ，就可以计算出黏附功、黏附张力、铺展系数，从而可以判断在给定的温度、压力下的润湿情况。还可以看出，接触角的数据也可作为判别润湿情况的判据。θ≤180°，W_a≥0，沾湿自发进行；θ≤90°，A≥0，浸湿自发进行；θ≤0°，S≥0，铺展自发进行。使用时通常以90°为界，θ＞90°，不润湿；θ＜90°，润湿；θ＝90°或不存在平衡接触角时，为铺展。