《材料表面与界面》课程实验指导书（共四个实验）

2012-2013学年第一学期《材料表面与界面》实验指导书 by李成峰高巧春王厚德 实验一液体表面张力的测定 、实验目的 1、了解JYW200A型自动界面张力仪的结构、工作原理和操作技巧 2、掌握利用Yw-200A型自动界面张力仪测定液体表面张力和界面张力的 二、引言 1、表面张力 表面张力是液体的一个重要的性质，它跟溶液的性质、温度有很大关系，数值的大小会 使液体与固体、气体接触时表现出不同的表界面现象，在涉及到润湿、粘附和铺展过程的材 料工艺过程、使用性能方面起到重要的作用。 2、仪器结构和工作原理 JYW-200A型自动界面张力仪主要由扭力丝、传感器、铂金环及升降部分组成，使用时 将铂金环浸入到被测液体中的一定位置，通过电机、皮带轮、托盘带动盛有液体的玻璃器皿 下降，这时铂金环与被测液体之间的膜被拉长，使铂金环受到一个向下的力，通过杠杆臂使 相力随之扭转，传器测出杠杆警另一端的位移，将被拉伸的隙形量转为申压量】 经过电路处理转化为相应张力值，并自动显示出来。随着薄膜被逐渐拉长，张力值逐渐增大 直至薄膜破裂，记下最大值就是该液体的实测张力值P,再乘以该液体的校正因子F,就得 到液体的实际张力值V,即V=PF,校正因子F取决于实测张力值P,液体密度，铂金丝的半 径及铂金环的半径。 直品任公司 图1-1JYW-200A自动界面张力仪 三、实验内容 1、测量液体的表面张力，选择水、无水乙醇和丙二醇的表面张力，实验测试实验重复 三次，取平均值为测定值 实验步骤包括：把调整到25℃的试样倒入玻璃杯中20-25mm高，将玻璃杯放在托盘的 中间位置上，按“上升“键，使铂金环深入到液体中5一7mm处，按“停止键停止，待示数稳定后， 按下“置零”键，稍有延迟后，示值回零，然后按“试验键，托盘和被测液体开始下降，显示 1

2012-2013 学年 第一学期 《材料表面与界面》实验指导书 by 李成峰 高巧春 王厚德 1 实验一 液体表面张力的测定 一、实验目的： 1、了解 JYW-200A 型自动界面张力仪的结构、工作原理和操作技巧 2、掌握利用 JYW-200A 型自动界面张力仪测定液体表面张力和界面张力的 二、引言 1、表面张力 表面张力是液体的一个重要的性质，它跟溶液的性质、温度有很大关系，数值的大小会 使液体与固体、气体接触时表现出不同的表界面现象，在涉及到润湿、粘附和铺展过程的材 料工艺过程、使用性能方面起到重要的作用。 2、仪器结构和工作原理 JYW-200A 型自动界面张力仪主要由扭力丝、传感器、铂金环及升降部分组成，使用时 将铂金环浸入到被测液体中的一定位置，通过电机、皮带轮、托盘带动盛有液体的玻璃器皿 下降，这时铂金环与被测液体之间的膜被拉长，使铂金环受到一个向下的力，通过杠杆臂使 扭力丝随之扭转，传感器测出杠杆臂另一端的位移，将被拉伸的薄膜变形量转变为电压量， 经过电路处理转化为相应张力值，并自动显示出来。随着薄膜被逐渐拉长，张力值逐渐增大， 直至薄膜破裂，记下最大值就是该液体的实测张力值 P，再乘以该液体的校正因子 F，就得 到液体的实际张力值 V，即 V=P·F,校正因子 F 取决于实测张力值 P，液体密度，铂金丝的半 径及铂金环的半径。 图 1-1 JYW-200A 自动界面张力仪 三、实验内容 1、测量液体的表面张力，选择水、无水乙醇和丙二醇的表面张力，实验测试实验重复 三次，取平均值为测定值。 实验步骤包括：把调整到 25℃的试样倒入玻璃杯中 20—25mm 高,将玻璃杯放在托盘的 中间位置上,按“上升”键,使铂金环深入到液体中 5—7mm 处,按“停止”键停止,待示数稳定后， 按下“置零”键，稍有延迟后，示值回零，然后按“试验”键，托盘和被测液体开始下降，显示

20122013学年第一学期《材料表面与界面》实验指导书 by李成峰高巧春王厚德 值将逐渐增大，最终保持在最大值（显示器左侧的数字为当前值，右侧的数字为最大值）该 最大值就是液体的实测表面张力值，按“停止”健停止，最大值将被记录在显示屏的右侧。 2、测量界面张力，选择水和正辛烷作为实验目标，实验测试重复三次，取平均值为测 定值。 实验步骤：以石油产品油对水界面张力为例，把一定量的25℃的蒸馏水倒入玻璃杯中 (高约10mm),将玻璃杯放在托盘的中间位置，升高托盘，使铂金环深入到液体中5一mm 深 密水 110mm高， 不要使铂金环触及油一水 3、对实际张力的校正：用圆环法测定张力时需考虑以下两种情况。 ()、在测量过程中环是被向上拉起的使液体表面变形。随着环向上移动距离的增加 (②)、少量液体沾附在环下部，这种影响可以用一种函数形式表示。从以上两种情况看， 实际的张力值V应由测得的张力P乘以一个校正因子V=P×F,在该仪器中，按ASTMD-971 计算校正因子公式为： 0.01452P ci(D-d +004534-1679 F-0.7250+ 式中P:显示的读数值mN/m C:环的周长6.00cm R:环的半径0.955cm D:下相密度(25C时)gml d上相密度(25℃时)gml r铂金丝的半径0.03cm 在液体和气体的情况下：D是液体的密度，d是气体的密度。 四、注意事项： 1、掌握仪器的操作方法后方可进行实验数据测试： 2、对于界面张力的测定，每次试验前都必须对铂金环进行净化、烘干处理： 3、无论是表面张力还是界面张力的测定，调零前铂金环必须是净化处理过的。 五、思考题： 1、为什么液体会有表面张力？ 2、表面张力与那些因素有关系？ 3、在表面与界面基础知识中与表面张力有关系的公式有哪些？

2012-2013 学年 第一学期 《材料表面与界面》实验指导书 by 李成峰 高巧春 王厚德 2 值将逐渐增大，最终保持在最大值（显示器左侧的数字为当前值，右侧的数字为最大值）该 最大值就是液体的实测表面张力值，按“停止”键停止，最大值将被记录在显示屏的右侧。 2、测量界面张力，选择水和正辛烷作为实验目标，实验测试重复三次，取平均值为测 定值。 实验步骤：以石油产品油对水界面张力为例，把一定量的 25℃的蒸馏水倒入玻璃杯中 （高约 10mm）,将玻璃杯放在托盘的中间位置，升高托盘，使铂金环深入到液体中 5—7mm 深，在蒸馏水上慢慢倒入已调至 25℃的试样约 10mm 高，注意：不要使铂金环触及油—水 界面。让油—水界面保持 30 秒钟，按上述试验步骤进行试验即可。 3、对实际张力的校正：用圆环法测定张力时需考虑以下两种情况。 ⑴、在测量过程中,环是被向上拉起的,使液体表面变形。随着环向上移动距离的增加, 液体的变形量也在增加,所以由中心到破裂点的半径小于环的平均半径,这种影响由环的半径 和铂金丝的半径比给出。 ⑵、少量液体沾附在环下部，这种影响可以用一种函数形式表示。从以上两种情况看， 实际的张力值 V 应由测得的张力 P 乘以一个校正因子 V=P×F。在该仪器中，按 ASTMD—971 计算校正因子公式为： F=0.7250+ r C D d R P 1.679 0.04534 ( ) 0.01452 2 + − − 式中 P：显示的读数值 mN/m C：环的周长 6.00cm R：环的半径 0.955cm D:下相密度（25℃时）g/m1 d:上相密度（25℃时）g/m1 r: 铂金丝的半径 0.03cm 在液体和气体的情况下：D 是液体的密度,d 是气体的密度。 四、注意事项： 1、掌握仪器的操作方法后方可进行实验数据测试； 2、对于界面张力的测定，每次试验前都必须对铂金环进行净化、烘干处理； 3、无论是表面张力还是界面张力的测定，调零前铂金环必须是净化处理过的。 五、思考题： 1、为什么液体会有表面张力？ 2、表面张力与那些因素有关系？ 3、在表面与界面基础知识中与表面张力有关系的公式有哪些？

2012-2013学年第一学期《材料表面与界面》实验指导书 by李成峰高巧春王厚德 实验二接触角的测定 对固体的浸润性，通过测量液体对固体的接触角、计算、测定液体的自由能即液体对固 体的附者力，张力等指标，接触角可通过停滴法、吊片法、浸润法以及接触角测定仪法（液 滴角度测量法)等测量得到。本实验采用接触角测定仪测定。该仪器的具体应用领域有：金 属焊接过程中，检测焊剂对金属的附着力：印刷行业油墨、金属、纸张之间的附着力：粘贴 剂与固体间的粘接程度研究：航天工业空中雨雾对飞机基体的润湿程度检测：军事科学中弹 有药中的来新释苦乘的程闲有药定：香来使健角。后 一、实验目的 1、了解润湿作用、接触角等概念： 2、用液滴角度测量法测量水在石蜡、聚合物等固体表面上的接触。 二、实验原理 生产触 中常见的现象。通常将固 气界面被固液界面 取代的过程称 可用这一过程 由能梳的多少来衡量 有 在未接触前总的表面自由能为 为L·因此，这一过程体系自由的降：△G为： -△G=YsG+nG-Ys=Wg (3.1) Ws称为粘附功，它的大小可衡量润湿的程度。由于现时尚无可靠的方法测定和 L,故由上式求出WL需要用被动的方法 液 液 -△G=W 固 固 图31液体对固体的粘附功 气(A) Y红液(1) 固(s) 图3-2固体表面上液滴的接触角 自由能s、YL、九6和接触角间0有如下关系：

2012-2013 学年 第一学期 《材料表面与界面》实验指导书 by 李成峰 高巧春 王厚德 3 实验二 接触角的测定 对固体的浸润性，通过测量液体对固体的接触角、计算、测定液体的自由能即液体对固 体的附着力，张力等指标，接触角可通过停滴法、吊片法、浸润法以及接触角测定仪法（液 滴角度测量法）等测量得到。本实验采用接触角测定仪测定。该仪器的具体应用领域有：金 属焊接过程中，检测焊剂对金属的附着力；印刷行业油墨、金属、纸张之间的附着力；粘贴 剂与固体间的粘接程度研究；航天工业空中雨雾对飞机基体的润湿程度检测；军事科学中弹 片在空气中与雨雾接触角的测定；石油开采过程中，注入添加剂与原油中固体前进角，后退 角的测定；纳米材料与不同活性剂间湿润性的测定、研究；铝箔亲水角的测定等。 一、实验目的 1、了解润湿作用、接触角等概念； 2、用液滴角度测量法测量水在石蜡、聚合物等固体表面上的接触。 二、 实验原理 润湿是自然界和生产过程中常见的现象。通常将固-气界面被固-液界面所取代的过程称 为润湿。当液体与固体接触后，体系的自由能降低。因此，液体在固体上润湿程度的大小 可用这一过程自由能降低的多少来衡量。设有面积皆为 1cm2 的液体及固体，如图 1 所示， 在未接触前总的表面自由能为 γSG+γLG，接触后原来的液-气界和固-液界面，其界面自由能 为 γSL。因此，这一过程体系自由的降-△G 为： -△G=γSG+γLG-γSL=WSL （3-1） WSL 称为粘附功， 它的大小可衡量润湿的程度。由于现时尚无可靠的方法测定 γSG 和 γSL， 故由上式求出 WSL 需要用被动的方法。 图 3-1 液体对固体的粘附功 图 3-2 固体表面上液滴的接触角 如果液体在固体表面上形成一液滴如下图 2 所示，在固、液、气三相交界处自固-液界 面经液体内部到气-液界面的夹角成为接触角。以 θ 表示。当达到平衡时 s-g、s-l、g-l 界面 自由能 γSG、γSL、γLG 和接触角间 θ 有如下关系：

20122013学年第一学期《材料表面与界面》实验指导书 by李成峰高巧春王厚德 YLG cos0-YsG-Ys (3-2) 此式称为Youg方程或润湿方程。它是描述润湿作用的基本公式。 将(3-2)式代入(3-1)式，可得： WsL=YLG (1+cos0 (3-3) 只要测量出液体与固体间的接触角和测定出液体的表面张力G即可由式(33)求出 粘附功Ws,从而可衡量润湿程度。由式(3-3)可以看出。 当0-180°时(Ws1=0)即完全不润湿： 0=0°时，(Ws=2LG)为完全润湿： 0°90°称为不润湿，0越小润湿性能越好，这为判断润湿程度带来方便。 接触角测定仪法是测量接触的常用的方法之 ,它是在平整的固体表面上滴一滴小液 滴，直接测量接触角的大小。为此，可用低倍显微镜中装有的量角器测量，也可将液滴图 象投影到屏幕上或拍摄图象再用量角器测量，但这类方法不可避免人为作切线的误差。 和液体的性质及杂质，添加物的 湿性 且随 接触时 的延长接触角有 于定值的趋势， 这是由于表面 界面 吸附的结果 三、仪器和药品 子：接能测定仪、注系、容量、装面、不钢片、聚乙片、 2、药品：石蜡、蒸馏水、十二烷基硫酸钠 四、实验步骤 1、接触角测量仪的调试 本实验采用国产水82接触角测量仪，其使用方法如下：

2012-2013 学年 第一学期 《材料表面与界面》实验指导书 by 李成峰 高巧春 王厚德 4 γLG cosθ=γSG-γSL （3-2） 此式称为 Young 方程或润湿方程。它是描述润湿作用的基本公式。 将（3-2）式代入（3-1）式，可得： WSL=γLG (1+ cosθ ) （3-3） 只要测量出液体与固体间的接触角和测定出液体的表面张力 γLG 即可由式（3-3）求出 粘附功 WSL，从而可衡量润湿程度。由式（3-3）可以看出。 当 θ=180°时 (WSL=0) 即完全不润湿； θ=0°时， （WSL=2γLG）为完全润湿； 0°90°称为不润湿，θ 越小润湿性能越好，这为判断润湿程度带来方便。 接触角测定仪法是测量接触的常用的方法之一。它是在平整的固体表面上滴一滴小液 滴，直接测量接触角的大小。为此，可用低倍显微镜中装有的量角器测量，也可将液滴图 象投影到屏幕上或拍摄图象再用量角器测量，但这类方法不可避免人为作切线的误差。 决定和影响润湿作用的接触角的因素很多。如固体和液体的性质及杂质，添加物的影 响，固体表面的粗糙程度，不均匀性的影响，表面污染等。对于一定固体表面，在液相中 加入表面活性物质可改善润湿性质，并且随着液体和固体表面接触时间的延长，接触角有 逐渐变小趋于定值的趋势，这是由于表面活性物质在各界面上吸附的结果。 三、仪器和药品 1、仪器：接触角测定仪、注射器、容量瓶、玻璃截面、不锈钢片、聚乙烯片、坩埚、 镊子。 2、药品：石蜡、蒸馏水、十二烷基硫酸钠 四、 实验步骤 1、接触角测量仪的调试 本实验采用国产 JY-82 接触角测量仪，其使用方法如下：

2012-2013学年第一学期《材料表面与界面》实验指导书 by李成峰高巧春王厚德 图3-3JY-82接触角测量仪 7 8910 16 o t 12 15 17 18 图34JY82接触角测量仪示意图(1、照相机：2、照相接头：3、目镜：4、照相专用 旋钮：5、物镜：6、液滴调整器：7、支架垂直旋钮：8支架横向旋钮：9、主轴周定螺钉： 工作台垂直移动旋钮：11、工作台外壳：12、工作台调节旋钮：13、工作台水平移 旋水准泡：、调焦大旋16显镜 下调节手轮：17、显做镜水平调节手 轮：18、主机调节螺钉) ①调节水平，打开电源，调节光源，使目镜中可看到柔和的光线 ④使液滴一端之固液气三相交界点与目镜中刻度板中，心占重合。调带目镜中可转动线在 刻度板中心点（即液滴一端三相交界点）与液滴相切，该线所指示角即为接触角。每种液体 和样品片都需多次测量，将所得结果取平均值。 ⑤测试完毕，关闭电源，清洗仪器。 2、将玻璃片用热洗液洗净，烘干。另取洁净之石蜡在坩塌中熔化，将已干燥的玻片浸 入，用慑子夹一角取出，挖去多余的石蜡，冷却，形成薄石蜡层。所有洗净和制备完成的固 体样品片切忌用手等触摸，以避免表面污染。最好准备好样品片后立即测量。 3、按照步骤1中所述接触角测量仪的应用方法。测量水在石蜡、玻璃片、聚乙烯和不 锈钢片上的接触角。 4、制0.001,0.004,0.01,0.02g100mL浓度的十二烷基硫酸钠水溶液，测量这些溶 液在石蜡表面上的接触角，每次测量要在20秒内完成。 5、测浓度为0.02g100mL十二烷基硫酸钠水溶液滴在石蜡和聚乙烯表面上的接触角随 时间的变化。 五、实验结果处理 1、列表表示所得实验结果

2012-2013 学年 第一学期 《材料表面与界面》实验指导书 by 李成峰 高巧春 王厚德 5 图 3-3 JY-82 接触角测量仪 图 3-4 JY-82 接触角测量仪示意图 （1、 照相机；2、照相接头；3、目镜；4、照相专用 旋钮；5、物镜；6、液滴调整器； 7、支架垂直旋钮；8 支架横向旋钮；9、主轴固定螺钉； 10、工作台垂直移动旋钮；11、工作台外壳；12、工作台调节旋钮；13、工作台水平移动 旋钮；14、水准泡；15、调焦大旋钮；16、显微镜上下调节手轮；17、显微镜水平调节手 轮；18、主机调节螺钉） ① 调节水平，打开电源，调节光源，使目镜中可看到柔和的光线。 ② 将固体样品置于样品测试工作台上，调节工作台调节旋钮 10，12 和 13，使在目镜中看 到清晰的固体样品片的横向面，并使其表面线与目镜中刻度板水平线重合。 ③ 用注射器小心地滴一滴待测液体在样品上。（液滴直径以 1~3mm 为宜）液滴不宜太靠 近样品中部和边缘，用横向调节手轮调节，使液滴进入光路，各种液体的注射器不得混用。 ④ 使液滴一端之固-液-气三相交界点与目镜中刻度板中心点重合。调节目镜中可转动线在 刻度板中心点（即液滴一端三相交界点）与液滴相切，该线所指示角即为接触角。每种液体 和样品片都需多次测量，将所得结果取平均值。 ⑤ 测试完毕，关闭电源，清洗仪器。 2、将玻璃片用热洗液洗净，烘干。另取洁净之石蜡在坩埚中熔化，将已干燥的玻片浸 入，用镊子夹一角取出，挖去多余的石蜡，冷却，形成薄石蜡层。所有洗净和制备完成的固 体样品片切忌用手等触摸，以避免表面污染。最好准备好样品片后立即测量。 3、 按照步骤 1 中所述接触角测量仪的应用方法。测量水在石蜡、玻璃片、聚乙烯和不 锈钢片上的接触角。 4、 制 0.001，0.004，0.01，0.02g/100mL 浓度的十二烷基硫酸钠水溶液，测量这些溶 液在石蜡表面上的接触角，每次测量要在 20 秒内完成。 5、测浓度为 0.02g/100mL 十二烷基硫酸钠水溶液滴在石蜡和聚乙烯表面上的接触角随 时间的变化。 五、 实验结果处理 1、列表表示所得实验结果

20122013学年第一学期《材料表面与界面》实验指导书 by李成峰高巧春王厚德 2、作十二烷基硫酸钠溶液在石蜡上接触角与时间的关系图。作0.02g100mL十二烷基 硫酸钠水溶液在石蜡上接触角与时间的关系图。初步解释所得结果的原因。 六、思考题 1、请总结影响固体表面接触角准确测定的因素有哪些？ 2.、请判断水能否在汞的表面上铺展？ 附：矿物表面润湿性分类 表面不饱和 类型 表面同水的 键性质 作用能E 接触角 界面水结构 代表性矿物 石英、 强亲水 >1 直接水化层 矿、高岭石、 方 解石 弱亲水 方铅矿、辉铜 弱疏水 1左右 无或很小 直接水化层 身闭合) 为主 闪锌矿 分子键为 (层面间)， 中等 疏水 离子、共价 1 (40-9d 次生水化层 滑石、石墨、辉 键为辅（层 为主 铝矿、叶腊石 度) 端、断面》 大 强疏水 色散力为主 <1 (90-110 次生水化层 自然硫、石蜡 的分子键 度) 6

2012-2013 学年 第一学期 《材料表面与界面》实验指导书 by 李成峰 高巧春 王厚德 6 2、作十二烷基硫酸钠溶液在石蜡上接触角与时间的关系图。 作 0.02g/100mL 十二烷基 硫酸钠水溶液在石蜡上接触角与时间的关系图。初步解释所得结果的原因。 六、 思考题 1、请总结影响固体表面接触角准确测定的因素有哪些？ 2.、请判断水能否在汞的表面上铺展？ 附：矿物表面润湿性分类 类型 表面不饱和 键性质 表面同水的 作用能 E 接触角 界面水结构 代表性矿物 强亲水 性 离子键、共 价键、金属 键 >>1 无 直接水化层 石英、云母、锡 石、刚玉、菱铁 矿、高岭石、方 解石 弱亲水、 弱疏水 离子-共价 键（部分自 身闭合） 1 左右 无或很小 直接水化层 为主 方铅矿、辉铜矿、 闪锌矿 疏水 分子键为主 （层面间）， 离子、共价 键为辅（层 端、断面） <1 中等 （40~90 度） 次生水化层 为主 滑石、石墨、辉 钼矿、叶腊石 强疏水 色散力为主 的分子键 <<1 大 （90~110 度） 次生水化层 自然硫、石蜡

2012-2013学年第一学期《材料表面与界面》实验指导书 by李成峰高巧春王厚德 实验三颗粒的Zeta电位值测定 纳米颗粒制备过程中，往往采用化学沉淀法，纳米颗粒在溶液中形成小晶体，以沉淀的 形式在溶液中生核和长大，在沉降、浓缩、分离和干燥过程中，往往会引起颗粒的团聚，号 致纳米材料在使用过程中丧失比表面积高、活性强等优点，在改善纳米颗粒在溶液中的分散 性能、提高纳米颗粒抗团聚能力方面有许多的机制，包括静电排斥、空间位阻和静电空间 位阻的协同作用，这些往往靠颗粒表面的带电机制、表面改性剂和工艺选择、溶剂性质有很 大关系，其中静电排斥作用可通过测量颗粒表面荷电大小，即表面zca(G)电位值来定性 描述。 一、实验目的 1、了解纳米粒子的荷电性： 2、掌握测定颗粒（电位的方法： 3、分析表面改性剂对（电位和等电点的影响 二、实验原理 纳米颗粒的分散相，即在溶液中高度分散的纳米粒子，往往都带有电荷，这是由于品格 内离子的同品置换，构品离子的电荷性质以及表面少量有机质的离解等原因。 当颗粒分散在水中时，在颗粒和液相的界面上就有双电层出现。粒子（胶核）对水化阳离 子的吸附，随粒子与阳离子之间距离的增大而减弱。在外电场作用下，粒子与一部分吸附牢 固的水化阳离子一起移动。这部分水化阳离子膜称为吸附层（胶核加吸附层构成胶粒）。而另 一部分水化阳离子，在外电场作用下，则向相反方向移动这部分称为扩散层（胶粒加扩散层 构成胶团)，见图1。吸附层与扩散层各带相反电荷。 相对移动的两者之间存在着电位差，这个电位差称动电动电位或z心ta()电位。也就是说 当胶粒对均匀的液相介质作相对移动时，所测出的电位差为电动电位或（电位，而粒子表面 与扩散层之间的总电位差称为热力学电位差，用E表示显然E>(。影响胶粒（电位的因素 主要是颗粒本身的状况（结构、有机质的含量），系统中电解质的种类和浓度，飞电位常用来 衡量胶体系统的稳定程度，它对于纳米颗粒的分散、粘土泥浆的陶瓷工艺性质同样有重要意 可以提高泥浆的稳定性 增经有人（瓦雷尔）研究指出， 一个稳定的陶瓷 吸附层 打散层 图2-1热力学电位与z心ta电位和胶团结构示意图 >

2012-2013 学年 第一学期 《材料表面与界面》实验指导书 by 李成峰 高巧春 王厚德 7 实验三 颗粒的 Zeta 电位值测定 纳米颗粒制备过程中，往往采用化学沉淀法，纳米颗粒在溶液中形成小晶体，以沉淀的 形式在溶液中生核和长大，在沉降、浓缩、分离和干燥过程中，往往会引起颗粒的团聚，导 致纳米材料在使用过程中丧失比表面积高、活性强等优点，在改善纳米颗粒在溶液中的分散 性能、提高纳米颗粒抗团聚能力方面有许多的机制，包括静电排斥、空间位阻和静电-空间 位阻的协同作用，这些往往靠颗粒表面的带电机制、表面改性剂和工艺选择、溶剂性质有很 大关系，其中静电排斥作用可通过测量颗粒表面荷电大小，即表面 zeta（ζ）电位值来定性 描述。 一、实验目的 1、了解纳米粒子的荷电性； 2、掌握测定颗粒 ζ 电位的方法； 3、分析表面改性剂对 ζ 电位和等电点的影响。 二、实验原理 纳米颗粒的分散相，即在溶液中高度分散的纳米粒子，往往都带有电荷，这是由于晶格 内离子的同晶置换，构晶离子的电荷性质以及表面少量有机质的离解等原因。 当颗粒分散在水中时，在颗粒和液相的界面上就有双电层出现。粒子(胶核)对水化阳离 子的吸附，随粒子与阳离子之间距离的增大而减弱。在外电场作用下，粒子与一部分吸附牢 固的水化阳离子一起移动。这部分水化阳离子膜称为吸附层(胶核加吸附层构成胶粒)。而另 一部分水化阳离子，在外电场作用下，则向相反方向移动这部分称为扩散层(胶粒加扩散层 构成胶团)，见图 1。吸附层与扩散层各带相反电荷。 相对移动的两者之间存在着电位差，这个电位差称动电动电位或 zeta(ζ)电位。也就是说， 当胶粒对均匀的液相介质作相对移动时，所测出的电位差为电动电位或 ζ 电位，而粒子表面 与扩散层之间的总电位差称为热力学电位差，用 E 表示显然 E＞ζ。影响胶粒 ζ 电位的因素， 主要是颗粒本身的状况(结构、有机质的含量)，系统中电解质的种类和浓度，ζ 电位常用来 衡量胶体系统的稳定程度，它对于纳米颗粒的分散、粘土泥浆的陶瓷工艺性质同样有重要意 义。ζ 电位增高时，可以提高泥浆的稳定性。曾经有人(瓦雷尔)研究指出，一个稳定的陶瓷 泥浆悬浮液，粘土胶粒的 ζ 电位必在 50μV 以上。 图 2-1 热力学电位与 zeta 电位和胶团结构示意图

20122013学年第一学期《材料表面与界面》实验指导书 by李成峰高巧春王厚德 加入表面改性剂后，颗粒表面带电性质会有改变，体现为带电量的增减、等电点的移动， 这是由表面改性剂带来的附加电荷性质导致的。 三、实验仪器 JS94g+型为电泳仪：超声波分散器：酸度计：电子天平（精度0.01g:胶头滴管：滤纸 (7厘米) 四、实验步骤 1、配制溶液 称取1克氧化铝颗粒，加入100毫升去离子水，在超声波分散器中充分 分散。然后用酸度计测出其酸度值。 2、调焦与定位用去离子水清洗电泳杯和十字标，将被测样品注入电泳杯，插入十字 标后洗涤数次，并让十字标充分湿润：取0.5ml样品注入电泳杯，倾斜电泳杯，缓缓插入十 字标 将标有前的一面面向自已插入，细心观察，不要产 气泡： 擦拭 电泳杯的外面 将电泳杯平稳放入样品槽，轻轻按到底，切忌重压。点击主界面上的活动图像，调节上下、 左右旋扭和焦距，直到看到清洗的十字图像。 3、采样与截图用去离子水冲洗电泳杯和电极，将被测试样注入电泳杯，插入电极后 洗涤数次，并让电极装置充分湿润：取0.5m样品注入电泳杯，顿斜电泳杯，缓缓插入电极 装置，细心观察， 不要产生气泡：擦拭 电泳杯外面，将电泳杯平稳放入样品槽，轻轻按到 底，切忌重压，连上电极线，然后点按活动图像，调节所需电压，设置文件名，输入样品 pH值，按启动，图像上颗粒会随电极的切换左右移动，使用快捷键调节，使待测颗粒处于 取景框内，立刻按存盘，程序将截取图像供分析计算时使用。 4、分析按分析程序进入分析计算子程序界面。首先在分析1区内确认一个颗粒，在 定标数据区内的颗粒O位置将显示所确认的位置数据，然后根据颗粒位置的相关性，在分 析2区确认同一颗粒，其位置数据显示在定标数据区内的颗粒OB后，至此获得第一组数 据，然后再用同样的方法获得第二组数据，依此类推可获得多至十组数据，按存盘，输入电 荷极性，确认，即可得到样品的电位，本实验要求每个pH值下选定5个颗粒，取平均值作 为zeta电位值。 5、取出电泳杯，用去离子水反复冲洗电泳杯和十字标，直至冲洗干净。将上述原溶液 用稀盐酸或氢氧化钠溶液，调节pH值后，重复上述测定。 6、(选做)表面改性后颗粒zcta电位值的测量：在配制溶液时加入0.05克油酸钠，其 他步骤同未改性颗粒zcta电位值测量步骤。 五、数据记录 1、未改性颗粒的zta(G)电位与pH值的关系 Zcta电位测量值 pH值 1 2 3 4 5 只0

2012-2013 学年 第一学期 《材料表面与界面》实验指导书 by 李成峰 高巧春 王厚德 8 加入表面改性剂后，颗粒表面带电性质会有改变，体现为带电量的增减、等电点的移动， 这是由表面改性剂带来的附加电荷性质导致的。 三、实验仪器 JS94g+型为电泳仪；超声波分散器；酸度计；电子天平（精度 0.01g）；胶头滴管；滤纸 （Φ7 厘米） 四、实验步骤 1、配制溶液 称取 1 克氧化铝颗粒，加入 100 毫升去离子水，在超声波分散器中充分 分散。然后用酸度计测出其酸度值。 2、调焦与定位 用去离子水清洗电泳杯和十字标，将被测样品注入电泳杯，插入十字 标后洗涤数次，并让十字标充分湿润；取 0.5ml 样品注入电泳杯，倾斜电泳杯，缓缓插入十 字标，将标有“前”的一面面向自己插入，细心观察，不要产生气泡；擦拭干电泳杯的外面， 将电泳杯平稳放入样品槽，轻轻按到底，切忌重压。点击主界面上的活动图像，调节上下、 左右旋扭和焦距，直到看到清洗的十字图像。 3、采样与截图 用去离子水冲洗电泳杯和电极，将被测试样注入电泳杯，插入电极后 洗涤数次，并让电极装置充分湿润；取 0.5ml 样品注入电泳杯，倾斜电泳杯，缓缓插入电极 装置，细心观察，不要产生气泡；擦拭干电泳杯外面，将电泳杯平稳放入样品槽，轻轻按到 底，切忌重压，连上电极线，然后点按活动图像，调节所需电压，设置文件名，输入样品 pH 值，按启动，图像上颗粒会随电极的切换左右移动，使用快捷键调节，使待测颗粒处于 取景框内，立刻按存盘，程序将截取图像供分析计算时使用。 4、分析 按分析程序进入分析计算子程序界面。首先在分析#1 区内确认一个颗粒，在 定标数据区内的颗粒 OA 位置将显示所确认的位置数据，然后根据颗粒位置的相关性，在分 析#2 区确认同一颗粒，其位置数据显示在定标数据区内的颗粒 OB 后，至此获得第一组数 据，然后再用同样的方法获得第二组数据，依此类推可获得多至十组数据，按存盘，输入电 荷极性，确认，即可得到样品的电位，本实验要求每个 pH 值下选定 5 个颗粒，取平均值作 为 zeta 电位值。 5、取出电泳杯，用去离子水反复冲洗电泳杯和十字标，直至冲洗干净。将上述原溶液 用稀盐酸或氢氧化钠溶液，调节 pH 值后，重复上述测定。 6、（选做）表面改性后颗粒 zeta 电位值的测量：在配制溶液时加入 0.05 克油酸钠，其 他步骤同未改性颗粒 zeta 电位值测量步骤。 五、数据记录 1、未改性颗粒的 zeta（ζ）电位与 pH 值的关系： pH 值 Zeta 电位测量值 1 2 3 4 5 4.0

2012-2013学年第一学期《材料表面与界面》实验指导书 by李成峰高巧春王厚德 6.0 7.0 90 10.0 11.0 2、根据zCta电位一pH值关系图，确定等电点。 3、(选做)改性后颗粒的（电位与pH值的关系： Zeta电位测量值 pH值 12 3 4 5 4.0 6.0 70 9.0 10.0 11.0 4、(选做)根据zta电位一pH值关系图，确定等电点。 六、思考题 1.颗粒胶团的结构如何？ 2.何谓颗粒的荷电性，矿物颗粒荷电原因如何 3.吸附阳离子的价数、半径对心a电位的影响如何？ 4.颗粒zta电位的意义，影响zta电位的因素有哪些？ 5.分析本实验测定za电位的方法，可能引起的误差有哪些？

2012-2013 学年 第一学期 《材料表面与界面》实验指导书 by 李成峰 高巧春 王厚德 9 6.0 7.0 9.0 10.0 11.0 2、根据 zeta 电位—pH 值关系图，确定等电点。 3、（选做）改性后颗粒的 ζ 电位与 pH 值的关系： pH 值 Zeta 电位测量值 1 2 3 4 5 4.0 6.0 7.0 9.0 10.0 11.0 4、（选做）根据 zeta 电位—pH 值关系图，确定等电点。 六、思考题 1．颗粒胶团的结构如何? 2．何谓颗粒的荷电性，矿物颗粒荷电原因如何? 3．吸附阳离子的价数、半径对 zeta 电位的影响如何? 4．颗粒 zeta 电位的意义，影响 zeta 电位的因素有哪些? 5．分析本实验测定 zeta 电位的方法，可能引起的误差有哪些?

20122013学年第一学期《材料表面与界面》实验指导书 by李成峰高巧春王厚德 实验四利用旋转粘度计测定胶体悬浮液的粘度 一、实验目的 在陶瓷的制备过程或分析测试中，经常遇到将粉体颗粒分散并悬浮于液体中的问题，而 对结构陶瓷的胶态成型来说，制各备高固相含量的具有分散良好、悬浮稳定、好的流动性的浆 体，更是必要的前提和关键：对功能陶瓷颗粒制成的悬浮液来说，具有高比表面积的纳米颗 粒的悬浮稳定对其光学、电磁和承载功能小分子等性能的发挥起若重要的作用。本实验以结 构陶瓷颗粒为研究对象，制备胶体颗粒悬浮液开展实验，实验目的主要包括： 1.了解胶体颗粒在液体中分散并悬浮的基本原理和方法，常用分散剂的种类和作用： 2.掌握胶体悬浮液的制备方法： 3.掌握悬浮液绝对粘度的测试方法： 4.了解影响粘度性能的因素。 二、实验原理 在有关课程介绍的陶瓷浆体，也就是颗粒悬浮液，往往会涉及到颗粒水系统。例如， 在粘士一水系统双电层模型中，粘士颗粒表面带电，吸附电解质的阳离子，一价阳离子因离 解程度大、水化半径大 主要进入胶团的扩散层，使其厚度增大， 电动电位（化电位 增大 从而靠静电斥力阻碍颗粒团聚，以得到具有分散良好、悬浮稳定、好的流动性的浆体。这种 静电阻聚作用机理对瘠性粉体颗粒，包括结构陶瓷粉体、功能陶瓷颗粒和纳米颗粒都同样适 用。只是由于瘠性粉体颗粒与塑性的粘土颗粒不同，通常还加入有机表面活性剂，使有机分 子成链状定向吸附在颗粒表面，依靠链状分子占据一定空间，阻碍猪性粉体颗粒的聚合，使 浆体具有良好的 浮性。这种机理称空间位阻作用。对各类起分散、悬浮作用 的添加剂叫法 ,在此均统称为分散剂。常用于制备A203、ZO2浆体的分散剂有：聚乙二醇(PEG) 聚甲基丙烯酸盐（铵、钠）、我甲基纤维素钠(CMC)等。 颗粒悬浮液的悬浮性受多种因素的影响，颗粒的粒度及分布、颗粒的密度与形状及表面 形貌、悬浮液的浓度（固相含量）、分做剂的种类与加入量、液体介质的粘度、温度、悬浮 液的pH值等，都对分散剂在颗粒表面的吸附性质产生不同程度的影 响，从而影响颗粒的聚 侧律并影响浆体的流动性。由于影币因素众多复聚，必须通过大量实验来确定各因素的影响 悬浮液在流动时，存在若内摩擦力，可以用悬浮液的粘度来表征内摩擦力的大小，粘度 越小、流动性越好。一般最小粘度是与电动电位的最大值相对应的。故可用测量悬浮液粘度 来评价其流动性，判别分散、悬浮的效果。粘度分相对粘度和绝对粘度，绝对粘度可用旋转 粘度计来测定。旋转粘度计的构造如图所示。两个作相对转动的同心圆筒（转子）浸入被测 浆体，当外筒固定、内筒旋转时，液体成若干同心圆层运动，其速度从内向外逐渐由大降为 零，粘度n由下式表达：F/D,t-剪切应力，0.1Pa:D-剪切速率，s-1: 2R2Q 又=2Rh,DR- ,式中M-总转动力矩，10-7Nm:R1、R2-内、外转子， 1π cm:h一转子浸入液体深度，cm:一转子转动角速度，30l:一转速，转min。代入

2012-2013 学年 第一学期 《材料表面与界面》实验指导书 by 李成峰 高巧春 王厚德 10 实验四 利用旋转粘度计测定胶体悬浮液的粘度 一、实验目的 在陶瓷的制备过程或分析测试中，经常遇到将粉体颗粒分散并悬浮于液体中的问题，而 对结构陶瓷的胶态成型来说，制备高固相含量的具有分散良好、悬浮稳定、好的流动性的浆 体，更是必要的前提和关键；对功能陶瓷颗粒制成的悬浮液来说，具有高比表面积的纳米颗 粒的悬浮稳定对其光学、电磁和承载功能小分子等性能的发挥起着重要的作用。本实验以结 构陶瓷颗粒为研究对象，制备胶体颗粒悬浮液开展实验，实验目的主要包括： 1．了解胶体颗粒在液体中分散并悬浮的基本原理和方法，常用分散剂的种类和作用； 2．掌握胶体悬浮液的制备方法； 3．掌握悬浮液绝对粘度的测试方法； 4．了解影响粘度性能的因素。 二、实验原理 在有关课程介绍的陶瓷浆体，也就是颗粒悬浮液，往往会涉及到颗粒-水系统。例如， 在粘土—水系统双电层模型中，粘土颗粒表面带电，吸附电解质的阳离子，一价阳离子因离 解程度大、水化半径大，主要进入胶团的扩散层，使其厚度增大，电动电位（ζ 电位）增大， 从而靠静电斥力阻碍颗粒团聚，以得到具有分散良好、悬浮稳定、好的流动性的浆体。这种 静电阻聚作用机理对瘠性粉体颗粒，包括结构陶瓷粉体、功能陶瓷颗粒和纳米颗粒都同样适 用。只是由于瘠性粉体颗粒与塑性的粘土颗粒不同，通常还加入有机表面活性剂，使有机分 子成链状定向吸附在颗粒表面，依靠链状分子占据一定空间，阻碍瘠性粉体颗粒的聚合，使 浆体具有良好的悬浮性。这种机理称空间位阻作用。对各类起分散、悬浮作用的添加剂叫法 不一，在此均统称为分散剂。常用于制备 Al2O3、ZrO2 浆体的分散剂有：聚乙二醇（PEG）、 聚甲基丙烯酸盐（铵、钠）、羧甲基纤维素钠（CMC）等。 颗粒悬浮液的悬浮性受多种因素的影响，颗粒的粒度及分布、颗粒的密度与形状及表面 形貌、悬浮液的浓度（固相含量）、分散剂的种类与加入量、液体介质的粘度、温度、悬浮 液的 pH 值等，都对分散剂在颗粒表面的吸附性质产生不同程度的影响，从而影响颗粒的聚 集，并影响浆体的流动性。由于影响因素众多复杂，必须通过大量实验来确定各因素的影响 规律。 悬浮液在流动时，存在着内摩擦力，可以用悬浮液的粘度来表征内摩擦力的大小，粘度 越小、流动性越好。一般最小粘度是与电动电位的最大值相对应的。故可用测量悬浮液粘度 来评价其流动性，判别分散、悬浮的效果。粘度分相对粘度和绝对粘度，绝对粘度可用旋转 粘度计来测定。旋转粘度计的构造如图所示。两个作相对转动的同心圆筒（转子）浸入被测 浆体，当外筒固定、内筒旋转时，液体成若干同心圆层运动，其速度从内向外逐渐由大降为 零，粘度 η 由下式表达：η=τ/D ，τ—剪切应力，0.1 Pa； D-剪切速率，s-1； 又 τ= R h M 2 2 1 ，D= 2 1 2 2 2 2 2 R R R −  ，式中 M—总转动力矩，10-7 N·m；R1、R2-内、外转子， cm；h—转子浸入液体深度，cm；Ω—转子转动角速度， 30 n s-1；n—转速，转/min。代入