高分子界面现象.ppt

2 界面现象,上讲要点,界(表)面、相、界面类型表面张力：起因、分子作用力、测定毛细现象：弯曲液面的附加压力 拉普拉斯方程物理吸附和化学吸附 兰缪尔单分子层吸附 BET 多分子层吸附,铺展现象,润湿作用,滴在固体表面上的少许液体，取代了部分固气界面，产生了新的液固界面。这一过程称之为润湿过程,润湿过程可以分为三类，即：粘湿、浸湿和铺展,2.1.1 粘湿过程液体与固体从不接触到接触，使部分液-气界面和固-气界面转变成新的固-液界面的过程,2.1 铺展现象,铺展现象,液,固,粘湿过程,铺展现象,设各相界面都是单位面积，该过程的Gibbs自由能变化值为：,称为粘湿功,粘湿功的绝对值愈大，液体愈容易粘湿固体，界面粘得愈牢,铺展现象,在恒温恒压可逆情况下，将具有单位表面积的固体浸入液体中，气固界面转变为液固界面的过程称为浸湿过程该过程的Gibbs自由能的变化值为：,2.1.2 浸湿过程,液体能浸湿固体,称为浸湿功，它是液体在固体表面上取代气体能力的一种量度，有时也被用来表示对抗液体表面收缩而产生的浸湿能力，故又称为粘附张力,铺展现象,纳米碳酸钙等微小粒子难分散于水，为什么？内聚（黏合）能？,铺展过程,等温、等压条件下，单位面积的液固界面取代了单位面积的气固界面并产生了单位面积的气液界面，这种过程称为铺展过程等温、等压条件下，可逆铺展单位面积时，Gibbs自由能的变化值为,S 称为铺展系数，若S0，说明液体可以在固体表面自动铺展。,铺展现象,液体在固体表面上的铺展,铺展现象,2.1.4 接触角与润湿方程,若接触角大于90，说明液体不能润湿固体，如汞在玻璃表面；若接触角小于90，液体能润湿固体，如水在洁净的玻璃表面。,接触角的大小可以用实验测量，也可以用公式计算,铺展现象,本质是两相分子结构的差异，根据选择不同分子结构的界面(造纸施胶、胶带亲水）,可以利用实验测定的接触角和气-液界面张力，计算润湿过程的一些参数,能被液体所润湿的固体，称为亲液性的固体，常见的液体是水，所以极性固体皆为亲水性固体。,不被液体所润湿者，称为憎液性的固体。非极性固体大多为憎水性固体。,铺展现象,2.1.5 高分子溶液在液体表面的铺展,铺展现象,P38-39 相关成熟的知识还很少,2.1.6 高分子溶液在固体表面的铺展,有关理论研究很少实践中很多，如高分子表面活性剂对碳酸钙表面的改性,聚合物的界面张力,2.2.1 液体聚合物和聚合物熔体的表面张力,测定方法:可用一般的低分子液体测定表面张力的方法。由于高分子液体和熔体都具有很大的粘度，需长时间才能平衡。,2.2 聚合物的界面张力,聚合物的界面张力,温度：温度升高，表面张力减小 分子量：分子量增大，表面张力增大 化学组成：分子间相互作用力 相转变点：玻璃化转变点：,影响聚合物液体和熔体表面张力的因素,聚合物的界面张力,2.2.3 固体的临界表面张力（）,固体的表面张力难以测定；固体的临界表面张力C所谓C是用不同的液体来测定在某一固体上的接触角，通过外延法求得接角恰好为00时的液体的表面张力即为固体的临界表面张力。,聚合物的界面张力,聚合物的界面张力,分子相互作用理论 P52-53 极限理论 聚合物/聚合物的界面张力的推算,2.2.4 聚合物/聚合物的界面张力（自学）,2.3 自高分子溶液中的吸附,高分子吸附,高分子化合物在固液界面的吸附在分散体系的稳定和聚凝作用中有广泛的应用。特点：大分子在固液界面上可有多种构型，故吸附平衡慢。分子量大，形状可变，可发生多点吸 附，且脱附慢。吸附等温式为大分子化合物的链节数，C为平衡浓度，为覆盖度,高分子吸附,吸附态高分子示意图,可有多个吸附点形态多样(链圈、链尾等）吸附过程中形态变化,高分子吸附,絮凝剂与分散剂,高分子吸附,吸附速度由于大分子分子量大，扩散慢，且吸附时常伴随着分子构型的变化，故其吸附速度慢，这就给讨论大分子吸附带来困难。分子量的影响 对孔性固体，分子量增加，吸附量减少。,影响吸附的因素,高分子吸附,溶剂的影响 在良溶剂中，大分子较伸展，吸附量减少。若溶剂产生竞争吸附，吸附量减少。温度的影响 存在着温度升高使吸附量下降和温度升高使吸附量升高两种情况。第二种情况 可认为吸附是吸热过程Ho，但G0，故S必大于零，这可认为大分子的吸附顶替了固体表面上的溶剂分子（第一种情况 可认为是焓控制）。,高分子吸附,吸附剂性质的影响主要是表面的化学性质、比表面和孔性的影响。如弱氧化的炭黑比强氧化的炭黑可易吸附非极性大分子，当表面化学性质相同时，表面积增加，吸附量增加。同样的孔径，低分子量大分子易被吸附，而高分子量大分子则较难。,粘合现象,2.4 粘合,摩擦、磨损与润滑,摩擦与磨损是研究具有相对运动、相互作用的两表面间有关理论与实践的一门科学。,摩擦是两个相互接触的物体在外力作用下发生相对运动时，在接触表面上产生切向运动阻力的一种物理现象；磨损是摩擦的结果；润滑是降低摩擦、减少磨损的重要措施。研究摩擦、磨损和润滑的科学与技术称为摩擦学。运用摩擦学知识进行的设计称为摩擦学设计。,2.5 摩擦、磨损与润滑,摩擦、磨损与润滑,内摩擦外摩擦,静摩擦动摩擦,干摩擦边界摩擦流体摩擦混合摩擦,摩擦,2.5.1 分类,摩擦、磨损与润滑,磨损,摩擦表面材料逐渐丧失或迁移的现象,磨损过程,摩擦、磨损与润滑,根据磨损结果分,1）点蚀磨损2）胶合磨损3）擦伤磨损,根据磨损机理分,1）研磨磨损2）粘附磨损3）疲劳磨损4）转移磨损5）化学磨损,摩擦、磨损与润滑,2.5.3 润滑,润滑剂,压力高、滑动速度低时，选择 针入度小的脂；反之，选择 针入度大的脂；润滑脂的滴点一般应高于轴承工作温度约2030。,转速高、压力小时选粘度低的油；转速低、压力大时选粘度高的油；较高温度下工作时用粘度高些的油。,神7飞船开展的少数实验之一,高分子材料在长期储存和使用过程中，由于受氧、光、热、机械力、水蒸气及微生物等外因的作用，使性能逐渐退化，直至丧失使用价值的现象称为老化。,2.6 高分子材料的老化及防止,2.6.1 目前采用的防止老化措施有三种：改变高聚物的结构。添加防老剂 高聚物中加入水杨酸脂，二甲苯 酮类有机物和碳黑，可防止光氧化。表面处理 在高分子材料表面镀金属（如镍）和喷涂耐老化涂料（如漆）作为保护层。,聚合物界面的变化,聚合物界面的变化,2.6.2 高分子材料表面改性,表面能低化学惰性表面污染弱的边界层,2.6.2.1 聚合物表面特点,2.6.2.2 几种常见的表面处理方法,电晕放电处理火焰处理和热处理化学改性光化学改性偶联剂处理等离子体表面改性,2.7 聚合物的静电特性,摩擦起电和接触起电是人们熟知的静电现象，对于高分子材料尤其常见。在高分子材料加工和使用过程中，相同或不同材料的接触和摩擦是十分普遍的。,根据目前认识，任何两个物理状态不同的固体，只要其内部结构中电荷载体能量分布不同，接触（或摩擦）时就会在固固表面发生电荷再分配，使再分离后每一个固体都带有过量的正（或负）电荷，这种现象称静电现象。,2.7.1 静电的产生,聚合物界面带电现象,静电的危害,静电妨碍正常的加工工艺；静电作用损坏产品质量；可能危及人身及设备安全,例如，在聚丙烯腈纺丝过程中，纤维与导辊摩擦产生的静电压可高达15kV以上，从而使纤维的梳理、纺纱、牵伸、加捻、织布和打包等工序难以进行；,在绝缘材料生产中，由于静电吸附尘粒和其他有害杂质，会使产品的的电性能大幅度下降；输送易燃液体的塑料管道、矿井用橡胶运输带都可能因摩擦而产生火花放电，导致事故发生。,聚合物界面带电现象,绝缘体表面的静电可以通过三条途径消失：（1）通过空气（雾气）消失（2）沿着表面消失（3）通过绝缘体体内消失,2.7.3 消除静电的措施,聚合物界面带电现象,将抗静电剂加到高分子材料中或涂布在表面。抗静电剂是一些表面活化剂，如阴离子型（烷基 磺酸钠等）、阳离子型（季胺盐、胺盐等）以及 非离子型（聚乙二醇等）。纤维纺丝工序中采取“上油”的办法，给纤维表面涂上一层吸湿性的油 剂，增加导电性。,提高高聚物的体积电导率最方便的方法是添加炭黑、金属细粉或导电纤维，制成防静电橡皮或防静电塑料。,聚合物界面带电现象,静电现象有时也能加以利用。如静电复印、静电记录、静电印刷、静电涂敷、静电分离与混合、静电医疗等，都成功地利用了高分子材料的静电作用。,2.7.4 静电的应用,聚合物界面带电现象,