工業(yè)領(lǐng)域中，許多工藝過程都涉及液相對(duì)固相的潤濕過程,，比如涂料行業(yè)里的固液混合及分散,，噴涂行業(yè)里的固體表面涂覆，食品加工業(yè)里的固體材料的浸漬等等,。這些潤濕步驟對(duì)成品的質(zhì)量起到關(guān)鍵性的作用,。

真空潤濕性，是指材料在接近絕對(duì)真空的條件下,，其固態(tài)表面可被潤濕的程度,。在接近真空的環(huán)境下，原本夾帶空氣的聚集顆粒,，可以被更好地分散成單個(gè)一次顆粒,，從而增大其潤濕接觸面，提高其潤濕性,。比如在高真空度下,，分散并潤濕二氧化硅顆粒。

圖1.顆粒聚集體的真空潤濕

另外在鋰電行業(yè),，提高真空度,，可以排出氣泡，讓電解液倒吸至多孔電極表面,，并更好地潤濕電極,。而在毛細(xì)管流孔徑分析過程中,，也需要先準(zhǔn)備一個(gè)真空環(huán)境,，并在此環(huán)境下讓潤濕液流過孔道。所以,，固體材料的真空可潤濕性也是一個(gè)重要的物理性質(zhì),。

一般我們將真空下的可潤濕性記作：

其定義如下：

上式中，γ^os 為固體在真空下的表面張力（也稱表面能）,，γ_SL 為被潤濕后的固體表面張力,?！鱥mmγ^o也可以稱為真空潤濕功，其負(fù)值為真空潤濕過程的吉布斯（Gibbs）自由能,，即:

其實(shí)我們通過氣體物理吸附等溫線,，結(jié)合 Gibbs 吸附等溫線，可以理論計(jì)算出固體材料的真空潤濕功,。Gibbs 吸附等溫式如下：

上式中,，π 為吸附質(zhì)在吸附劑表面的擴(kuò)展壓，其為吸附前后,，固體表面張力值的變化：π = γ^os-γ_SG,。Γ 為表面剩余濃度，在常壓范圍內(nèi)的吸附過程中,，Γ=n_a/A,，n_a 為累計(jì)吸附量，A 為固體的表面積,，P 為吸附絕對(duì)壓力,。

我們選取了兩種負(fù)載金屬的催化劑和一種鋰電負(fù)極碳材料進(jìn)行了計(jì)算。它們的吸附等溫線都是典型的 II 型等溫線,，可以用 BET 吸附等溫線描述,。見下圖：

圖2.兩種催化劑（A與B）和碳負(fù)極材料C的等溫吸附線，催化劑B含有介孔結(jié)構(gòu)

催化劑 A 和負(fù)極材料 C 使用了 ASAP 2460 測(cè)試,，含介孔的催化劑 B 使用了 Tristar II plus 3030 測(cè)試,，皆為 77K 下的氮?dú)馕健?/p>

結(jié)合BET吸附等溫式，我們可以得到：

P⁰ 為 77K 下液氮的飽和蒸汽壓：760 mmHg,，n_m 為單位質(zhì)量 BET 單層飽和吸附量,，C 為 BET 方程常數(shù)，A 為材料的 BET 比表面積,。這里的這些參數(shù)皆可以由麥克分析軟件中的 Autofit 分析報(bào)告給出,。當(dāng)確定上式右邊的形式后，在進(jìn)行吸附壓力 0 至 760 mmHg 的積分,，便可求出 π（P⁰）,。

圖3. Autofit報(bào)告及相關(guān)參數(shù)

當(dāng)對(duì)材料 A 計(jì)算值時(shí)，可見隨著吸附壓力上升,，π 值增大,，說明隨著氮?dú)獾奈剑牧系谋砻婺懿粩嘟档汀?/p>

圖4. 催化劑A的擴(kuò)展壓-吸附壓圖

由于 BET 方程的特性,，積分項(xiàng)在 P=760 mmHg 處會(huì)發(fā)散,，故取壓力接近 760 mmHg 的值作為積分上限。發(fā)現(xiàn)隨著壓力接近 760 mmHg，值趨于固定,。

圖5. 催化劑 A 的 π 值隨著壓力接近 760 mmHg 的變化

采用同樣的辦法,，也可以計(jì)算出催化劑 B 和碳材料 C 的擴(kuò)展壓。需結(jié)合 Young 氏方程：

上式中,，γ 為在氣相平衡下的潤濕液體的表面張力,，θ 為接觸角。我們假設(shè) II 型等溫吸附中,，多層吸附層為液化的吸附質(zhì),，如液氮。接觸角為 0 度,。

通過 Young 氏方程,，擴(kuò)展壓和真空潤濕功的定義，我們可以得到：

表 1 列出了三個(gè)材料計(jì)算得到的真空潤濕性和 BET 的 C 值,。

表1. 催化劑 A&B 以及負(fù)極碳材料 C 的真空液氮潤濕功和 C 值

從表 1 可以看出,，催化劑 A 和 B 的真空潤濕功較為接近，其 C 值也接近,。而負(fù)極 C 材料的潤濕功最大,，其 C 值也大很多。說明催化劑 A 和 B（皆為氧化鋁負(fù)載金屬催化劑）對(duì)液氮的潤濕能力接近,，但要弱于負(fù)極碳材料 C,。BET 的 C 值也正是反映吸附質(zhì)與吸附劑的作用力強(qiáng)弱，從中我們也可以看出,，液化的吸附質(zhì)的潤濕能力與其氣態(tài)相被吸附的能力呈正相關(guān),。

如果將吸附質(zhì)換成其他氣體或蒸汽，亦可以研究固體材料對(duì)各種其他潤濕液體的真空可潤濕性,，對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)和研發(fā)領(lǐng)域相當(dāng)重要,。Micromeritics 的 3Flex 三站全功能型多用氣體分析儀就非常適合做各種氣體和蒸汽吸附。

關(guān)于我們

Micromeritics 是提供表征顆粒,、粉體和多孔材料的物理性能,、化學(xué)活性和流動(dòng)性的全球高性能設(shè)備生產(chǎn)商。我們能夠提供一系列行業(yè)前沿的技術(shù),，包括比重密度法,、吸附、動(dòng)態(tài)化學(xué)吸附,、壓汞技術(shù),、粉末流變技術(shù)、催化劑活性檢測(cè)和粒徑測(cè)定,。

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