表面能地测试原理、方法、步骤.doc

文档 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。 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、vander 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。 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γsv液体表面能γlv和固液界面能γsl γ 图1固体表面的液滴 从方程的定义可以看出，要计算固体表面能，只需要测量其他3个变量即可。3个未知变量中接触角θ和液体表面能γlv可以通过实验仪器测得，而固液界面能γsv无法直接测得。因此，界面化学家发展了其他方法，如表面能分量途径、状态方程途径，利用γsv、γlv、γsl 基于表面能分量途径 Fowkes途径 Fowkes认为表面能是许多分量之和，每种分量是由特定分子之间作用力引起的，提出了表面能分量途径。 γ= 式中γ是总表面能，γd和γn分别是由分子间的London力引起的色散表面能分量和非色散表面能分量。基于此假设，F γ 式中: γsvd 将式(3)与式(1)联立,可以得到: γ 式中γsv=γsvd，θ Owens Wendt Kaelble 方法 Owens与Wendt进一步发展了途径，认为表面能是另外两种分量之和: γ 式中γd是偶极-偶极分量γ 因此Owens与Wendt认为固液界面能可以表示为固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: γ 式中γ 是固体偶极-偶极分量，γlvd是液体偶极-偶极分量，γsv γ 几乎与此同时Kaelble也发表了与Owens与Wendt类似的结果，所以式(7)也被称为Owens Wendt Kaelble方程。式（7）中，液体的表面能γlv及其偶极-偶极分量γlvd，氢键分量γlvh可以通过实验测定或化学手册查得，而固体的偶极- Lifshitz-vander Waal/acid-base （van Oss）途径 van Oss等认为表面能由Lifshitz-vander Waal分量(分子间相互作用力---范德华力引起的表面能分量、简写为LW分量)酸分量和碱分量组成，提出了Lifshitz-vander Waal/acid-base （van Oss）途径: γ 式中γiLW是LW分量，γi+是酸分量，γ γ 式中: γsvLW是固体LW分量γlvLW是液体LW分量γsv+ 将式（9）与式(1)联立，可以得到： γlv1+ 式中，液体的γlvLW、γlv-、γlv+可以通过化学手册查得或直接测量获得，而固体材料的γsv 基于状态方程途径 Antonow规则 按照Antonow规则，γlv、γsv、 将式(11)与式(1)结合，可以得到: cos 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Antonow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London理论，对于2个不同分子i和j其能量系数是: ? 式中: ?σii是l对i分子的色散能量系数，? 式（13）可写成Berthelot几何平均规则