工業(yè)領(lǐng)域中，許多工藝過程都涉及液相對固相的潤濕過程，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。△immγ^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 為累計吸附量，A 為固體的表面積，P 為吸附絕對壓力。

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 測試，含介孔的催化劑 B 使用了 Tristar II plus 3030 測試，皆為 77K 下的氮氣吸附。

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報告及相關(guān)參數(shù)

當(dāng)對材料 A 計算值時，可見隨著吸附壓力上升，π 值增大，說明隨著氮氣的吸附，材料的表面能不斷降低。

圖4. 催化劑A的擴(kuò)展壓-吸附壓圖

由于 BET 方程的特性，積分項在 P=760 mmHg 處會發(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 列出了三個材料計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各種其他潤濕液體的真空可潤濕性，對于工業(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)、催化劑活性檢測和粒徑測定。

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