第11期 易美荣等：板带钢乳化液对金属表面润湿性的研究 .1487· 令S=-△G=s0-sL-/a,S称为铺展 大小顺序为：A>C>B,乳化剂质量分数为影响乳 系数10.若S<0,S的绝对值越小，乳化液在基板 化液表面张力的主要因素.乳化剂质量分数对乳化 表面铺展性越好，则对基板表面的润湿性越好. 液表面张力的影响效果为：随着乳化剂质量分数的 Young润湿公式为 提高，乳化液的表面张力得到不同程度的降低.乳 s/a =YL/G +Ts/cos 0. (2) 化油用水稀释时，乳化剂的亲水基团溶于水，亲油 基团不溶于水指向乳化油，部分或全部水界面被亲 结合式(1)和(2)可得铺展系数的公式如下： 油基团覆盖，将水一空气界面变成了油一水界面，由 S=/e(cos9-1). (3) 于乳化油的表面张力小于水，因此乳化液的表面张 试验时测量乳化液的表面张力和在普碳钢 力小于纯水的表面张力.由Gbbs吸附定理可 Q235基板表面上的接触角，可计算乳化液在基板 知，乳化剂分子在乳化液表面产生的过剩量越大， 表面的铺展系数，用于判断乳化液对普碳钢Q235 越有利于降低乳化液的表面张力同.同样，乳化液 表面的润湿程度.正交试验时不同乳化液的表面张 体积分数对表面张力影响的效果为：在一定范围内， 力、接触角和铺展系数的计算结果见表2. 乳化液体积分数越高，乳化液中含有的油-水界面 由于实验过程中存在环境、仪器、人为等因素， 越多，乳化液的表面张力降低的越多.加入油性剂 引起试验误差.因此，对测得的实验数据进行方差 后，乳化液的表面张力也均有一定程度地降低.油 分析，试验分析结果如表3.A、B和C分别为 性剂不仅能溶于乳化剂形成的胶团中，还可与乳化 乳化剂质量分数、油性剂种类和乳化液体积分数因 剂分子共同吸附于油一水界面，使乳化剂分子在油-水 素，S为误差因数的均方，F值为各因数均方除以 界面的排列更紧密，因此有效地降低了乳化液的表 误差均方，F值越大则此因素对乳化液的润湿性影 面张力12).但添加不同酯类油性剂的乳化液之间， 响越大 表面张力差异较小 从表3可以看出：影响乳化液表面张力的因素 影响乳化液在普碳钢Q235表面上接触角的因 素大小顺序为C>A>B,可见乳化液体积分数为影 表2正交试验结果 响接触角的显著因素，油性剂种类对其影响较小 Table 2 Results of orthogonal test 乳化液体积分数对接触角的影响效果为：随着乳化 试验 因素 表面张力/接触角/ 铺展系数/ A B C (mN.m-1) (e) (mN.m-1) 液体积分数的增加，乳化液在基板表面的接触角降 1 111 44.55 27.0 -5.08 低得越多.同样，随着乳化剂质量分数的增加，乳 2122 42.61 23.0 -3.44 化液在基板表面的接触角有不同程度的降低.不同 3 133 38.82 19.0 -2.36 酯类油性剂种类对乳化液在基板表面的接触角影响 4 212 40.23 24.5 -3.67 5 22 3 36.91 17.5 -1.28 较小 6 23 1 41.77 22.5 -4.38 影响乳化液在普碳钢Q235表面铺展系数的因 7 3 1 3 36.67 15.5 -1.38 素大小顺序为C>A>B,与影响其在普碳钢Q235 3 2 1 37.10 22.0 -2.92 表面接触角的顺序相同.随着乳化液体积分数的提 9 3 3 2 36.84 19.0 -2.01 高，乳化液在基板表面的接触角越小，在基板表 表3各因素方差分析 面的铺展能力越强.同样，乳化剂质量分数的增 Table 3 Analysis of variance of each factor 加，乳化液在板带钢表面的铺展能力也提高.根 润湿性 试验因素 平方和自由度 均方F值 据式(1)，乳化液的表面张力越低，乳化液在基板 A 36.46 2 19.73 9.82 表面张力 马 4.46 2.23 1.11 表面铺展过程吉布斯自由能降低得越多.从热力 C 20.94 2 10.47 5.21 学解释，乳化液在基板上铺展的动力更大，因此提 58 4.00 2.01 高了乳化液在基板表面的铺展程度，提高其润湿性. A 26.72 2 13.36 7.91 2.2乳化剂对乳化液铺展能力的影响 接触角 B 7.38 3.69 2.18 C 68.38 2 34.19 20.23 为进一步具体分析乳化剂对乳化液润湿性的 S 3.38 1.69 影响，研究不同阴离子和非离子乳化剂的复合比例 A 3.12 2 1.56 39.75 对乳化液润湿性的影响，乳化剂的总质量为10g, 铺展系数 B 1.18 0.59 1.25 C 5.43 2 2.72 68.00 阴离子乳化剂在乳化剂中的质量分数分别为 9* 0.08 0.04 0、30%、50%、70%、100%.采用每秒1个图像第 11 期 易美荣等：板带钢乳化液对金属表面润湿性的研究 1487 ·· 令 S = −∆G = γS/G − γS/L − γL/G ，S 称为铺展 系数 [10] . 若 S<0，S 的绝对值越小，乳化液在基板 表面铺展性越好，则对基板表面的润湿性越好. Young 润湿公式为 γS/G = γL/G + γS/L cos θ. (2) 结合式 (1) 和 (2) 可得铺展系数的公式如下： S = γL/G (cos θ − 1). (3) 试验时测量乳化液的表面张力和在普碳钢 Q235 基板表面上的接触角，可计算乳化液在基板 表面的铺展系数，用于判断乳化液对普碳钢 Q235 表面的润湿程度. 正交试验时不同乳化液的表面张 力、接触角和铺展系数的计算结果见表 2. 由于实验过程中存在环境、仪器、人为等因素， 引起试验误差. 因此，对测得的实验数据进行方差 分析，试验分析结果如表 3. A、B 和 C 分别为 乳化剂质量分数、油性剂种类和乳化液体积分数因 素，S误 为误差因数的均方，F 值为各因数均方除以 误差均方，F 值越大则此因素对乳化液的润湿性影 响越大. 从表 3 可以看出：影响乳化液表面张力的因素 表 2 正交试验结果 Table 2 Results of orthogonal test 试验 因素 表面张力/ 接触角/ 铺展系数/ A B C (mN·m−1 ) (◦) (mN·m−1 ) 1 1 1 1 44.55 27.0 –5.08 2 1 2 2 42.61 23.0 –3.44 3 1 3 3 38.82 19.0 –2.36 4 2 1 2 40.23 24.5 –3.67 5 2 2 3 36.91 17.5 –1.28 6 2 3 1 41.77 22.5 –4.38 7 3 1 3 36.67 15.5 –1.38 8 3 2 1 37.10 22.0 –2.92 9 3 3 2 36.84 19.0 -2.01 表 3 各因素方差分析 Table 3 Analysis of variance of each factor 润湿性 试验因素 平方和 自由度 均方 F 值 表面张力 A 36.46 2 19.73 9.82 B 4.46 2 2.23 1.11 C 20.94 2 10.47 5.21 S误 4.00 2 2.01 — 接触角 A 26.72 2 13.36 7.91 B 7.38 2 3.69 2.18 C 68.38 2 34.19 20.23 S误 3.38 2 1.69 — 铺展系数 A 3.12 2 1.56 39.75 B 1.18 2 0.59 1.25 C 5.43 2 2.72 68.00 S误 0.08 2 0.04 — 大小顺序为：A>C>B，乳化剂质量分数为影响乳 化液表面张力的主要因素. 乳化剂质量分数对乳化 液表面张力的影响效果为：随着乳化剂质量分数的 提高，乳化液的表面张力得到不同程度的降低. 乳 化油用水稀释时，乳化剂的亲水基团溶于水，亲油 基团不溶于水指向乳化油，部分或全部水界面被亲 油基团覆盖，将水 – 空气界面变成了油 – 水界面，由 于乳化油的表面张力小于水，因此乳化液的表面张 力小于纯水的表面张力 [11] . 由 Gibbs 吸附定理可 知，乳化剂分子在乳化液表面产生的过剩量越大， 越有利于降低乳化液的表面张力 [5] . 同样，乳化液 体积分数对表面张力影响的效果为：在一定范围内， 乳化液体积分数越高，乳化液中含有的油 – 水界面 越多，乳化液的表面张力降低的越多. 加入油性剂 后，乳化液的表面张力也均有一定程度地降低. 油 性剂不仅能溶于乳化剂形成的胶团中，还可与乳化 剂分子共同吸附于油 – 水界面，使乳化剂分子在油 - 水 界面的排列更紧密，因此有效地降低了乳化液的表 面张力 [12] . 但添加不同酯类油性剂的乳化液之间， 表面张力差异较小. 影响乳化液在普碳钢 Q235 表面上接触角的因 素大小顺序为 C>A>B，可见乳化液体积分数为影 响接触角的显著因素，油性剂种类对其影响较小. 乳化液体积分数对接触角的影响效果为：随着乳化 液体积分数的增加，乳化液在基板表面的接触角降 低得越多. 同样，随着乳化剂质量分数的增加，乳 化液在基板表面的接触角有不同程度的降低. 不同 酯类油性剂种类对乳化液在基板表面的接触角影响 较小. 影响乳化液在普碳钢 Q235 表面铺展系数的因 素大小顺序为 C>A>B，与影响其在普碳钢 Q235 表面接触角的顺序相同. 随着乳化液体积分数的提 高，乳化液在基板表面的接触角越小，在基板表 面的铺展能力越强. 同样，乳化剂质量分数的增 加，乳化液在板带钢表面的铺展能力也提高. 根 据式 (1)，乳化液的表面张力越低，乳化液在基板 表面铺展过程吉布斯自由能降低得越多. 从热力 学解释，乳化液在基板上铺展的动力更大，因此提 高了乳化液在基板表面的铺展程度，提高其润湿性. 2.2 乳化剂对乳化液铺展能力的影响 为进一步具体分析乳化剂对乳化液润湿性的 影响，研究不同阴离子和非离子乳化剂的复合比例 对乳化液润湿性的影响，乳化剂的总质量为10 g， 阴 离 子 乳 化 剂 在 乳 化 剂 中 的 质 量 分 数 分 别 为 0、30%、50%、70%、100%. 采用每秒 1 个图像