第11期 易美荣等：板带钢乳化液对金属表面润湿性的研究 .1489· 在油一水界面的吸附层较单独使用阴离子或非离子 粗糙度的影响，两个基板的表面张力略有差别.运 乳化剂分子组成的吸附层更加紧密，故表现出更强 用式（⑧）计算正交试验各乳化液-基板界面张力见 的降低接触角的能力②.由此可见，当阴离子乳化 表4，不同阴离子非离子乳化剂的复合比例对乳化 剂的质量分数为50%时，吸附层最为紧密，因此乳 液-基板界面张力的影响见图4. 化液接触角降低得最多，其润湿性最高，较单独使 表4正交试验的乳化液与基板界面张力 用阴离子乳化剂时降低了26.15%. Table 4 Calculated emulsion-substrate interfacial tension 2.3乳化液-基板界面张力的影响因素 values for orthogonal test 前人在研究固液界面系统时，提出运用Y-G-G 试验 因素 界面张力/(mNm-1) 经验方程计算固液界面系统中的固相表面张力和固 A B D 液界面张力.Y-G-G经验方程如下3： 1 1 1 4.26 2 1 2 4.18 (1+cos9)2 0≤0≤180° 3 (4) 1 3 3 4.28 402 4 3 4.20 「(1+cos8)2 5 2 2 1 4.27 Ys/L=TL/G 402 -cos0 ,0≤0≤180°.(5) 3 1 3 4.22 7 3 1 3 2 4.33 式中：s/G是固相表面张力：sL是固液界面张 8 4.23 力：日为接触角：中为相互作用因子，是与固相和液 9 3 3 2 1 4.26 相表面性质有关的参数 平方和0.00300.00220.0100.0012 自由度 2 2 2 2 研究表明，应用Y-G-G经验方程计算的固液 C>A>B 均方0.00150.00110.00500.0006 系统中固相表面张力和液固界面张力值偏小，但接 F值 2.50 1.838.33 触角小于35°时，运用Y-G-G经验方程计算的固液 系统中固相表面张力和固液界面张力的变化对接触 角敏感.试验中乳化液在基板表面的接触角都小于 4.6 35°，因此运用Y-G-G经验方程计算固液系统中 固相张力和固液界面张力值4.考虑到基板粗糙 4.4 度对润湿接触角的影响，根据Wenzel模型，粗糙表 面的存在使得实际“固-液”接触面积大于表观几 何接触面积，对接触角有影响，粗糙表面的表观 4.2 接触角*与光滑平坦表面本征接触角9。有如下关 系5-16： 20 40 60 80 100 阴离子乳化剂质量分数/% cos*=r cos be (6) 式中，T是基板表面的粗糙度因子，为实际接触面 图4阴离子乳化剂质量分数对界面张力的影响 积与表观接触面积之比，r≥1. Fig.4 Influence of anionic emulsifier mass fraction on inter- facial tension 将Wenzel模型与Y-G-G经验方程结合起来， 得出： 从以上正交试验方差分析可知，影响乳化液一 (1+rcos9)2 基板界面张力因素的大小顺序为：乳化液体积分数 Ys/G (7) 402 >乳化剂质量分数>油性剂种类.影响乳化液-基 (1+rcos0)2 (8) 板界面张力因素的大小顺序与影响乳化液在基板表 Ys/L =TLIG 402 面的铺展系数因素的大小顺序相同，表明润湿性好 采用r=R/7表征基板表面粗糙度的大 的乳化液能够降低乳化液一基板的界面张力，使乳 小，计算得出r1/r2=1.06,即基板1相对基板2 化液在基板上铺展更完全 的粗糙度为1.06，应用式(7)和式(8)计算普碳钢 由图4可见：单独添加阴离子乳化剂时，乳化 Q235表面张力和乳化液-基板界面张力时，r取值 液一基板的界面张力最大，添加阴离子和非离子 为1.06，查阅文献14④，中取值0.95，通过计算得出的复合乳化剂时，乳化液-基体间的界面张力得到 基板1的表面张力平均值为43.34mNm-1,基板2明显降低.当阴离子乳化剂的质量分数为50%时， 的表面张力平均值为42.81mNm-1,由于基板表面 复合乳化液-基板的界面张力最低，较单独添加第 11 期 易美荣等：板带钢乳化液对金属表面润湿性的研究 1489 ·· 在油 – 水界面的吸附层较单独使用阴离子或非离子 乳化剂分子组成的吸附层更加紧密，故表现出更强 的降低接触角的能力 [12] . 由此可见，当阴离子乳化 剂的质量分数为 50%时，吸附层最为紧密，因此乳 化液接触角降低得最多，其润湿性最高，较单独使 用阴离子乳化剂时降低了 26.15%. 2.3 乳化液 – 基板界面张力的影响因素 前人在研究固液界面系统时，提出运用 Y-G-G 经验方程计算固液界面系统中的固相表面张力和固 液界面张力. Y-G-G 经验方程如下 [13]： γS/G = γL/G (1 + cos θ) 2 4φ2 , 0 6 θ 6 180◦ . (4) γS/L = γL/G · (1 + cos θ) 2 4φ2 − cos θ ¸ , 0 6 θ 6 180◦ . (5) 式中：γS/G 是固相表面张力；γS/L 是固液界面张 力；θ 为接触角；φ 为相互作用因子，是与固相和液 相表面性质有关的参数. 研究表明，应用 Y-G-G 经验方程计算的固液 系统中固相表面张力和液固界面张力值偏小，但接 触角小于 35◦ 时，运用 Y-G-G 经验方程计算的固液 系统中固相表面张力和固液界面张力的变化对接触 角敏感. 试验中乳化液在基板表面的接触角都小于 35◦，因此运用 Y-G-G经 验 方 程计算固液系 统 中 固相张力和固液界面张力值 [14] . 考虑到基板粗糙 度对润湿接触角的影响，根据 Wenzel 模型，粗糙表 面的存在使得实际 “固 – 液” 接触面积大于表观几 何接触面积，对接触 角有 影响，粗糙表面的表观 接触角 θ ∗ 与光滑平坦表面本征接触角 θe 有如下关 系 [15−16]： cos θ ∗ = r cos θe. (6) 式中，r 是基板表面的粗糙度因子，为实际接触面 积与表观接触面积之比，r >1. 将 Wenzel 模型与 Y-G-G 经验方程结合起来， 得出： γS/G = γL/G (1 + r cos θ) 2 4φ2 . (7) γS/L = γL/G · (1 + r cos θ) 2 4φ2 − r cos θ ¸ . (8) 采用 r = Ra/R[17] z 表征基板表面粗糙度的大 小，计算得出 r1/r2 = 1.06，即基板 1 相对基板 2 的粗糙度为 1.06，应用式 (7) 和式 (8) 计算普碳钢 Q235 表面张力和乳化液 – 基板界面张力时，r 取值 为 1.06，查阅文献 [14]，φ 取值 0.95，通过计算得出 基板 1 的表面张力平均值为 43.34 mN·m−1，基板 2 的表面张力平均值为 42.81 mN·m−1，由于基板表面 粗糙度的影响，两个基板的表面张力略有差别. 运 用式 (8) 计算正交试验各乳化液 – 基板界面张力见 表 4，不同阴离子非离子乳化剂的复合比例对乳化 液 – 基板界面张力的影响见图 4. 表 4 正交试验的乳化液与基板界面张力 Table 4 Calculated emulsion-substrate interfacial tension values for orthogonal test 试验 因素 界面张力/(mN·m−1 ) A B C D 1 1 1 1 1 4.26 2 1 2 2 2 4.18 3 1 3 3 3 4.28 4 2 1 2 3 4.20 5 2 2 3 1 4.27 6 2 3 1 2 4.22 7 3 1 3 2 4.33 8 3 2 1 3 4.23 9 3 3 2 1 4.26 平方和 0.0030 0.0022 0.010 0.0012 自由度 C>A>B 2 2 2 2 均方 0.0015 0.0011 0.0050 0.0006 F 值 2.50 1.83 8.33 图 4 阴离子乳化剂质量分数对界面张力的影响 Fig.4 Influence of anionic emulsifier mass fraction on inter￾facial tension 从以上正交试验方差分析可知，影响乳化液 – 基板界面张力因素的大小顺序为：乳化液体积分数 > 乳化剂质量分数 > 油性剂种类. 影响乳化液 – 基 板界面张力因素的大小顺序与影响乳化液在基板表 面的铺展系数因素的大小顺序相同，表明润湿性好 的乳化液能够降低乳化液 – 基板的界面张力，使乳 化液在基板上铺展更完全. 由图 4 可见：单独添加阴离子乳化剂时，乳化 液 – 基板的界面张力最大，添加阴离子和非离子 的复合乳化剂时，乳化液 – 基体间的界面张力得到 明显降低. 当阴离子乳化剂的质量分数为 50%时， 复合乳化液 – 基板的界面张力最低，较单独添加