表面能的测试原理方法步骤

1、表面能的测试原理、方法、步骤.表面能的测试原理、方法、步骤界面能可分为固气界面能（也称固体表面能，以下皆称为固体表面能）、气液界面 能（也称液体表面能，以下皆称为液体表面能）和固液界面能。其中固体表面能的 测定对多孔材料、焊接、涂料、分子筛等领域的理论研究和生产实践具有重要指导作用；液体表面能的测定则与清洁剂的制造、泡沫分离、润湿、脱色、 乳化、催化等技术密切相关；而固液界面能主要在涉及固液接触的领域，如油漆、 润滑、清洁、石油开采等领域应用广泛。一、表面能的测试方法就测量方式而言，液体表面能可以直接通过仪器设备测得， 而固体表面能和固液 界面能却只能通过其他方法间接地计算获得。 而又因为固液

2、界面能、固体表面能、 液体表面能三者之间存在某种关系， 所以求得固体表面能后，固液界面能的计算 问题会迎刃而解。目前测量固体表面能的方法主要有劈裂功法、颗粒沉降法、熔 融外推法、溶解热法、薄膜浮选、van der Waals Lifshitz理论以及接触角法等。其 中，劈裂功法是用力学装置测量固体劈裂时形成单位新表面所做的功（即该材料的表面能#的方法）。溶解热法是指固体溶解时一些表面消失，消失表面的表面能 以热的形式释放，测量同一物质不同比表面的溶解热，由它们的差值估算出其表 面能的方法。薄膜浮选法、颗粒沉降法均用于固体颗粒物质表面能的测量，而不适用于片状固体表面能的测量。熔融外推法是针对熔点

3、较低的固体的测量方法， 具体方法是加热熔化后测量液态的表面能与温度的关系，然后外推至熔点以下其固态时的表面能。此法假设固态时物质的表面性质与液态时相同，这显然是不合 理的。Vander Waals Lifshitz理论在固体表面能计算方面虽有应用，但不够精确。 接触角法被认为是所有固体表面能测定方法中最直接、最有效的方法，这种方法本质上是基于描述固液气界面体系的杨氏方程的计算方法。二、固体表面能测试原理在非真空条件下液体与固体接触时，整个界面体系会同时受到固体表面能液体表 面能和固液界面能作用，使得液体在固体表面呈现特定的接触角阪阪莎| （见 图1）。提出了著名的杨氏方程（1）式来描述它们之间

4、的关系：02图1固体表曲的液滴从方思的定义可以看出.菱计算固体麦面能.只需要测梵他3个变即 可.3个未知变*中接触角B和液体老面能升“可以通过实验仪器测得，而固液界 面能卩“无法宜接测得因此.界面化学家发展了其他方法，如表面能分途径、 状态方程途艮.利用力"儿(之间的某种关系.再结合方程(I).计算出固 体农面能儿.冃前建立固体农面能、液体农面能、固液界面能之间关系模型的 方法主要有两种：表面能分量途径和状态方程途径。利用固、液.气界面能关 系模型.联立方程(1)即可求得固体衣面能1)慕于茨面能分故途径丄Fol kes途轻Fcmkcs认为表面能是许多分量之和.毎种分量足由轻定分子之间

5、作用力引 起的.提出了表面能分fit途轻.丫 =宀广(2)式中Y是总表面能，/和尸分别是由分子间的London力引起的色散表面能分* 和非色散农血能分童.基于此假设，Fowkr认为固液界面能足固体表血能与液 体表面能之和减去两者色敵分童的几何平均数：Ya = “ + riv - 2?(曲 + rt) (3) 式中： ><，足固体色散表面能分量沈是液体色散表面能分 将式与式联立.可以得刮：YivCOsO Yiv + 2(* + y汀勺(4)式中卩“二6>卩带与儿.可以通过实验测得因此通过测录一种液体在固体 衣面上的接触角，就町以计算出固体衷面能.丄()Hen Wendt Kac

6、lhlc 方法Ouens与Wend«进一步发展了途径.认为表面能是另外两种分量之和：丫 =宀"(5)式中尸是偶极偶极分是氢键分:.因此Owens与W<Mid(认为固液界面能可以表示为IW体表面能加上液体表面能减 去偶极偶极分量的几何平均数和氢键分量的几何平均数：Xsi = rsv + Yiv - 2#冰 式中总是固体偶极偶极分仏 M是液体偶极偶极分童.总是固体氢健分氐 总是液 体氢锲分量.将式(6)与式(1)联立.可以得到：Kir(1 + cos0)= 2+ 2几乎与此同时Kaclble也发表了与Onens与HEdt类似的结果.所以式也被称为OHcnUcndt Kad

7、blc方程式(7)中.液体的未面能及其偶极偶极分片第氢犍分总可以通过实验测定或化学手册咲 而IS体的偶极偶极分和氢镀分*吼未知.因此只需测*曲种液体就可厚出固体的表面能。 Lirshitz-vander Uaal/acid-base <an ()ss)途径van Oss等认为表面能由IJfshitz-%under Waal分(分子间相互作用力一ffi II华力引包的表而能分fit、简写为IM分*)酸分JR和碱分谊炯成.提出了 Lihhilz-vandcr Waal/acid-basc (van Oss)途径：F产廿"+ 2&F£(8)式中yf是nv分丄 是酸分

8、仇并是碱分It. i既可农示固体.也可表示液 体.对于固液界面van ()«« 认为其界面能与各分也服从几何平均关系，故固 液界面能可以表示为：Y.I =灯 + 灯 一- 2(斥兀/ 一 2(兀汀(9)分量是固体酸分量LWLW是液体碱分量分量是液体式中：是固体是固体碱分量是液体酸分量。-将式（9）与式（1）联立，可以得到：2肚城" （10）+ cos= 2（yvy + 叫：兀）+ .:、制、.可以通过化学手册查得或直接测量获得，而固体材式中，液体的、 未知，故只需测量、3料的种液体，即可计算出固体的表面能。1）基于状态方程途径An to now 规则"按

9、照An to now规则，、之间的关系可写成固液界面能状态方程Ki = rivC11）将式（ii）与式结合，可以得到cos & = 1 + 2-%由式(12)可以看出,只需要测得一种液体在固体表面的接触角，便可计算出固体表 面能。Berthelot 规则“不同于An to now规则Berthelot规则有一定的理论背景。基于分子间相互作用是 成对的，根据色散Lon don理论，对于2个不同分子i和j其能量系数是：吟cj；分子的色散能量系数，是I对ij分子的色散能量系数。式中是:1对式(13)可写成Berthelot几何平均规则：二二心 式中:是不成对分子i和j相互作用的势能参数，和i

10、i分别是成对分子与匡阪阪5 jj相互作用的势能参数。又因为在热力学中固液之间单位面积上的粘附功等于分 开固液界面单位面积所需的能量。-兀，+九.-歹，根据Antonow几何平均规则粘附自由能约等于固体粘附自由能和液体粘弋川蹄寸附自由能的几何平均数，即吒叫三何丽（16）液体粘附自由能，固体粘附自由能，（16）式可转化为 % = 2/ （结合式（15）和式（17）可得到固液界面能状态方程：和=论+楡-2你忑7 =（顷-皿）2（1S）cos 0 = 1 + 2 ! （1 刃将式（25）与式联立，可以得到：由式(19)可知，测量一种液体在待测固体表面的接触角，就可以计算得到固体表 面能。Berthel

11、ot规则的改进 也-'一 ：)规则的基础上引入了一个因子式(14Berthelot)此方法是在：转化为-式中:是经验参数，用来量化几何平均规则的偏差。由于几何平均规则高估了-.(1.-©)丨故引入校正因子非成对分子间的相互作用强度，它应当是，之沁汽j 6差的减函数，并且当的差等于 0时等于1。基于这种思路，修正了 Berthelot 和-切：规则.二J J春盗匚飞川皿身3 - 切尸 Yiv Ysv所反映的是联立规则的对称性。当式中，或是经验常数，一d ：匚较大时, 固液之间的粘附自由能可表示为者：叫=+匝顷 狄-班 -监)2(渤式中是未知常数，而，则：一 .-.略=2你亦祁一

12、风阳一 Xsv)2 (23)式中是未知常数 将式(23)与式(15)联立，可以得到固液界面能状态方程：1沧=e +冷- 2护在匸紳-/?山.一烁尸 (24)将式(24)与式联立，可以得到:cos 0 = 1 + 2P血卩-因此，当已知，测得液体的表面能和的情况下，固体表面能可以通过式（25） _円百 和常数也可以求得。和时，同一固体表面能求得，显然，在给定一系列-. 三、表面能的测试步骤（一）接触角的测量1）材料与接触角测量仪通常待测固体材料表面的粗糙度须控制在纳米级或纳米级以下， 且要求表面化学 均一性较高。此外，在准备待测液体时，还必须遵循以下原则：（1）液体的表面能应当大于待测固体的表面

13、能；（2）液体与待测固体之间无化学反应；（3）液体无 毒。7接触角测量仪通常由样品台、进样器、光源、CCD等部件构成。固体材料水平安装在样品台上，并保证其与 CCD在同一水平面。一般接触角测量仪的进样是 从材料表面上部进样：进样器的针头浸入在液滴中，测量前进角时，随着时间的 推进，液滴不断增大；测量后退角时，随着时间的推进，液滴不断减小。整个过程可利用测量仪的内置 CCD拍摄界面图像，然后采用某种方法计算接触 角值。2）接触角的计算量角法视量角法是在获得界面图像后，在气、液、固三相接触处做液气界面的切线，使用 量角器直接量出接触角角度的方法。 此法的优势在于方便、快捷，也是过去最常 用的方法之

14、一。但是，此法受操作者个体差异影响较大，重复性差，精确度低， 而且不能实现动态实时大规模接触角数据的测量。量高法，然后根据式计算出h和液滴的宽度2R首先测量液滴的高度接触。液滴形状 分析法-随着计算机技术的发展，其强大的图像处理技术在测量接触角时发挥了独特优势。 目前，几乎所有的接触角测量仪都配有接触角分析软件。 这些软件都是使用液滴形状分析算法来计算接触角。常见的液滴形状分析法有：多项式拟法、轴对称液 滴形状分析法、方程数值综合法、解析近似法以及低合法、sn ake邦德对称液滴形状分析法。液滴形状分析法重复性好、误 _，已广泛应用于接触角测量 中。差小，精确度最高可达 液（二）体表面能的测量

15、常用液体的表面能已被界面 化学家记录在化学手册，需。要时查询即可。对于表面能未知的液体，可以通过 各种表面能测定仪测得。这些表面能测定仪 通常基于以下方法测定液体表面能。 毛细管上升法细管上升法是液体表面能测定中最常见的方法，在此方法中， 待测液体与8毛细管壁接触角等于0,假设液面的曲率半径等于毛细管的内半径时，可用式计 算液体表面能。式中：为液体密度与空气密度之差，h为毛匚.- mdu 细 管上升的高度，r为毛细管内半径，g为重力加速度。毛细管上升法理论完整，方法简单，对于液体与毛细管壁接触角为0的体系是最好的方法。但是对于液体与毛细管壁接触角不等于0的体系则不适用滴重法滴重法假定液滴滴落时的重量与毛细管口脱住液滴的力相等。实际测量时 出-沐宙汐八耳心；一般采用校正公式：。滴重法不仅方便快捷而且对接触角无严格限制，测量结果准确，是常用的液体表面能测定方法，但是其校正因子具有经验性。气泡最大压力法把毛细管浸入液体中，气体从毛细管稳定注入，直到气泡成为球形，此时曲率半=(P 空径最小，压力最大。从而根据 Lap lace方程推算出液体表面能：_ 式中:P为最大压力，p为由于毛细管浸入水引起的流体静力学校正压力。此法被广泛应用于液体表面能的测量，尤其适用于样品量