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对表面张力的理解&表面活性剂和HLB值

表面张力要理解表面张力需要深入理解“相”这个概念,在物理化学里,简单地说,相就由均匀物质组成,拥有均匀的物理与化学性质。不同相之间就会用相界。表面就是相界的一种,再简单说就是两个“区域”边界(境)线。我们很容易理解,边界线的性质和意义,肯定是和边界内部的是不同,尤其是在科学领域,因为这个领域特别讲条件,所定义的条件也是绝不模棱两可,这就使得边界部分比较特殊,它的特性可能符合边界左边,也可能符合边界右边,也可能都不符合。所以表面科学呼之而出,它在物理化学领域通常要单独讨论。

表面张力就是因为表面(相界)两边分子间作用力不同而引起的,为什么会不同呢?因为是不同的相,就比如气液(水)两相,一边分子密度大,一边分子密度小,所以交界面上的分子,在水一侧就可能受到更多的作用力,比如氢键,整体效果就是,这个“更多的作用力”使得液体有种自发的倾向,要把自己的收缩起来,缩到能平衡掉这部分多出来的作用力。

一、什么是表面张力

表面张力是使液体表面收缩的一种力,是表层分子之间相互吸引产生的。分子间力称为范德华力,同时包含吸引力和排斥力。当液体不受外力时,内部分子间也处于平衡的不受力状态,即吸引力和排斥力相等,分子们靠近一点就体现出排斥力,远离一点就体现出吸引力。而在液体表面上,经常有些能量高的分子挣脱了其他分子的吸引力而逃脱,这就是液体的气化。在这种作用下,液体表层分子间的距离比内部分子间的距离更大一些,分子间体现为拉力,这就是表面张力。表面张力的存在使液体表面趋向于面积最小,使液滴倾向于呈球形。这下明白为什么水滴是球形的了吧,其原因就是因为表面张力,要是没有表面张力,那水滴的形状千奇百怪,可能是方的,三角形、椭圆形等等

二、对表面张力的理解

表面张力的大小取决于液体的性质和环境条件。一般来说,表面张力随着液体的分子间吸引力增强而增加,随着温度的升高而减小。简单粗暴理解,表面张力越小的液体,越容易被“侵犯”,表面张力越大的液体“越犟,不容易被侵犯 ”,表面张力的这种特性,在生活中有很多应用。

1.清洁剂和肥皂:在洗涤过程中,清洁剂和肥皂能够降低水的表面张力,使其更容易渗透到污垢和油脂中,从而更有效地清洁物体表面。

2.水滴形状:表面张力使得水滴呈现球形。这是因为表面张力使得水分子在表面上相互吸引,使得水滴尽可能小,从而减小表面积。

3.吸水纸的作用原理:毛细管现象是表面张力的重要应用之一。当将一根细小的管子(如玻璃毛细管)插入液体中时,液体会上升或下降到比容器中液体水平更高或更低的位置。这是因为表面张力使液体在细小管道中形成了一个上升或下降的力。

玻璃板上的水银滴基本上呈球形,这是因为水银滴外表面薄层内所有分子都处在高势能状态。计算表明,如使分子总势能为极小,则表面必定呈圆球形。如果设法消除重力的影响,例如把液滴放在比重相同又与液滴不起化学反应的另一种液体中,或在真空中自由下落,或在失重的人造卫星与火箭的环境中,则液滴将呈现理想的球形。球面形的肥皂泡,荷叶上的球形露珠,也可以用相同的道理来解释。

三、表面张力在涂料中的应用

1.涂料的流平性:涂料的流平性是指涂料在涂覆物表面上均匀分布的能力。如果涂料的表面张力过高,它会形成凸起的表面,导致涂层不平整。通过调整涂料中的表面活性剂,可以降低表面张力,使涂料更容易均匀分布在表面上,从而提高涂料的流平性。

2.防止涂料分散:在涂料中添加表面活性剂可以降低液体颗粒之间的表面张力,从而防止涂料分散。这可以确保涂料中的颜料和填料均匀分布,并提供更好的覆盖力和色彩一致性。

3.提高涂层附着力:表面张力的适当调整可以帮助涂料更好地附着在基材表面上。通过降低表面张力,涂料能够更好地渗透到基材的微小孔隙中,并与基材表面形成更紧密的结合,提高涂层的附着力和耐久性。

4.减少涂料的起泡:涂料中的气泡和起泡问题可能导致涂层表面不平整。表面张力的适当调整可以减少涂料中气泡的形成,从而改善涂层的外观和质量。

涂料分散剂:涂料中的颜料和填料往往是以颗粒形式存在的,容易发生团聚。通过添加表面活性剂作为分散剂,可以降低颗粒之间的表面张力,使颗粒更好地分散在涂料中,提高涂料的稳定性和均匀性等。

四、为什么念叨表面张力

所以,通过以上的例子明白为什么现在的涂料工程师嘴里一直讲降低表面张力了吧。因为,随着水性漆的不断发展,很多企业都在油改水,由油性漆改换水性漆,而原来的油性漆中各种溶剂的表面张力都集中在20-40之间,唯独水的表面张力系72.8mN/m(20℃),所以明白水性漆的难度为什么比较大,而现在的涂料工程师为什么都嘴里念叨降低表面张力了吧,因为那是很犟很犟的。

亲水亲油平衡值HLB表面活性剂分子中亲水和亲油基团对油或水的综合亲和力称为亲水亲油平衡值( hydrophile-lipophile balance , HLB)将表面活性剂的HLB值范围限定在0~40,其中非离子表面活性剂的HLB值范围为0~20,即完全由疏水碳氢基团组成的石蜡分子的HLB值为0,完全由亲水性的氧乙烯基组成的聚氧乙烯的HLB值为20,既有碳氢链又有氧乙烯链的表面活性剂的HLB值则介于两者之间。HLB值越高亲水性越强,反之,亲油性强。
HLB值在3~6的表面活性剂,适合做W/O型乳化剂;HLB值在8~18的表面活性剂,适合做O/W型乳化剂。作为增溶剂的HLB值在13 ~ 18 ,作为润湿剂的HLB值在7 ~9,作为去污剂的HLB值在13~16。
临界胶束浓度CMC

表面活性剂分子缔合形成胶束的最低浓度,为临界胶束浓度(critical micell concentration, CMC)。CMC时,溶液的表面张力几乎最低。

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