接触角法测定聚合物表面的表面能
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接触角指在气、 液、固三相交点 处所作的气-液 界面的切线与 固-液交界线之
间的夹角θ
高分子分析测试实训 Polymer Testing Training
γ 从杨氏方程的定义可以看出，要计算固体表面能 SV
，只需要测量其他３个变量即可。３个未知变量中接触
γ 角θ和液体表面能 LV 可以通过实验仪器测得，而固液 γ 界面能SL 无法直接测得。因此，界面化学家发展了其
聚合物相分离
4.00 0
TEM
2.00
2.00
AFM
4.00 0
um
高分子分析测试实训 Polymer Testing Training
表面能，表面吉布斯自由能简称
定义：在某种温度压力下生成单位新的表面积所引起的体 系吉布斯自由能的增加量，它也等于在某种温度下生成单 位表面时所需的可逆功，又常称为内聚功。
他方法，如表面能分量途径、状态方程途径，计算出固
体表面能。
Fowkes法 Wu S法
Owens法 LW-AB法
高分子分析测试实训 Polymer Testing Training
Fowkes方法
由Fowkes于1964年提出，他把表面张力分解为两种力：London色 散力（disperse）和由偶极作用力、氢键以及诱导力等组成的极性力 (polar)。该方法中认为只有色散力对固液界面起作用，结合YoungDupre方程，得到方程：
d d sg lg
p p sg lg
(1 cos ) lg
2
d
p
sg ：液气界面的色散力。 sg ：固气界面的极性力。
d lg ：固气界面的色散力。
：lgp 液气界面的极性力。
本方程有两个变量，需要进行两次不同液体对同一固体界面进行测试， 解联立方程得到固气界面的色散力和极性力，得到固体的表面自由能。
高分子分析测试实训 Polymer Testing Training
接触角法测定聚合物表面的表面能
徐州工程学院
主讲：董黎明
背景知识
聚合物的表面能是计算聚合物表面与其他物质相互作用自 由能的重要参数，与聚合物的粘合、吸附、摩擦、生物相 容性等性质密切相关，表面能的检测对确定聚合物的表面 性质有十分重要的意义。
d sg
lg (cos
4
1)2
d sg ：固气界面色散力
lg ：液气界面自Fra Baidu bibliotek能
图5- Fowkes方法界面
本方法适用于液体和固体中有一相或两相都为非极性物质的测试，只需一次试验。
高分子分析测试实训 Polymer Testing Training
Owens方法
1969年，Owens和Wendt发展了Fowkes方法，本方法认为在液固 界面上除存在London色散力外，还存在包括诱导力、取向力及氢键在 内的极性作用，将色散力和极性力综合运算，得到方程：
理论估算
表面能的产生是由于表面原子（离子、分子） 所处力场的不对称。不同结构类型的物质，其 表面力场的性质及不对称性不同。因此，表面 能的计算建立一种的表面结构模型计算。
高分子分析测试实训 Polymer Testing Training
接触角法
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。 杨氏方程 是物理化学领域最古老、最常用的方程之一，在界面科学领 域占有非常重要的地位。它既是量化润湿现象的基础，也是通过接触 角法计算固体表面能和固液界面能的基础。
LW-AB法
该方法由Van Oss等人提出，它认为极性部分可进一步描述为电子受 体和电子给体之间的相互作用，也称作质子酸碱作用，并将两相间的 自由能描述为方程：
(1 cos ) lg 2
高分子分析测试实训 Polymer Testing Training
表面能Gs与表面张力γs 的区别：
表面张力包括了两部分：
表现能的贡献，可认为是 固体中体相分子变为表面 层分子，新增表面分子数 目而引起的吉布斯自由能 的变化。
表面积的变化而引起表面能改 变的贡献，也可以解释为，表 面分子之间距离发生改变而引 起的变化，从而引起体系的吉 布斯自由能的变化。
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拉力法
当把固体颗粒加热至融点附近时，会出现自动紧缩成球 的现象。此时固体应变速率与应力成一定比例。当应变 速率为零时，此时金属所受力应与表面张力成平衡。
劈裂法
借助于精巧的测力装置，测出劈裂固体形成新表面时 做的功。例如用一动摆，沿解离面撕幵云母片层结构， 摆的能量损失等于形成新表面的表面能。
1 cos
4
lg
d lg
d
lg
d sg
d sg
p
lg
p lg
p sg
p sg
本方程也有两个变量，需要进行两次不同液体对同一固体界面进行测试， 解联立方程得到固气界面的色散力和极性力，得到固体的表面自由能。 只是计算方法与Owens方法不同。
高分子分析测试实训 Polymer Testing Training
对于液体而言，由于其分子具有良好的可动性，在形成新的液体表面时， 分子瞬间可以达到平衡位置，因此通常认为液体的表面能与表面张力是 相等的。
=0
但对固体而言，这种移动很难，需要花很长的时间才能完成。在未完成 之前，所以二者不相等。
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固体表面能的估算
对液体而言，其表面能（表面张力）容易测 量，但固体表面能是非常困难的，至今为止 还未找到一种能够从实验上直接测量的可靠 方法，一般可采用以下几种方法来进行估算。
温度外推
测定不同温度条件下固体融体的表面张力，根据表 面张力与温度的关系作图外推至凝固温度以下某温 度，估计其固态时的表面能。不准确
溶解热
固体溶解时，表面能以热的形式释放出来，于是可 以通过测定不同比表面的同种晶体的溶解热之差来 求品体的表面能。
该方法比较简单，但随配对液体的不同，计算结果会有较大不同。常用 液体为水和二碘甲烷。
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Wu S方法
Wu S在研究高分子化合物之间的界面张力时，发现Fowkes公式有较 大误差，于是做了两点改进：一是用调和平均法计算不同分子间的引 力常数，二是不仅考虑色散力的影响，也考虑了分子间极性力的影响 ，其方程如下：
间的夹角θ
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γ 从杨氏方程的定义可以看出，要计算固体表面能 SV
，只需要测量其他３个变量即可。３个未知变量中接触
γ 角θ和液体表面能 LV 可以通过实验仪器测得，而固液 γ 界面能SL 无法直接测得。因此，界面化学家发展了其
聚合物相分离
4.00 0
TEM
2.00
2.00
AFM
4.00 0
um
高分子分析测试实训 Polymer Testing Training
表面能，表面吉布斯自由能简称
定义：在某种温度压力下生成单位新的表面积所引起的体 系吉布斯自由能的增加量，它也等于在某种温度下生成单 位表面时所需的可逆功，又常称为内聚功。
他方法，如表面能分量途径、状态方程途径，计算出固
体表面能。
Fowkes法 Wu S法
Owens法 LW-AB法
高分子分析测试实训 Polymer Testing Training
Fowkes方法
由Fowkes于1964年提出，他把表面张力分解为两种力：London色 散力（disperse）和由偶极作用力、氢键以及诱导力等组成的极性力 (polar)。该方法中认为只有色散力对固液界面起作用，结合YoungDupre方程，得到方程：
d d sg lg
p p sg lg
(1 cos ) lg
2
d
p
sg ：液气界面的色散力。 sg ：固气界面的极性力。
d lg ：固气界面的色散力。
：lgp 液气界面的极性力。
本方程有两个变量，需要进行两次不同液体对同一固体界面进行测试， 解联立方程得到固气界面的色散力和极性力，得到固体的表面自由能。
高分子分析测试实训 Polymer Testing Training
接触角法测定聚合物表面的表面能
徐州工程学院
主讲：董黎明
背景知识
聚合物的表面能是计算聚合物表面与其他物质相互作用自 由能的重要参数，与聚合物的粘合、吸附、摩擦、生物相 容性等性质密切相关，表面能的检测对确定聚合物的表面 性质有十分重要的意义。
d sg
lg (cos
4
1)2
d sg ：固气界面色散力
lg ：液气界面自Fra Baidu bibliotek能
图5- Fowkes方法界面
本方法适用于液体和固体中有一相或两相都为非极性物质的测试，只需一次试验。
高分子分析测试实训 Polymer Testing Training
Owens方法
1969年，Owens和Wendt发展了Fowkes方法，本方法认为在液固 界面上除存在London色散力外，还存在包括诱导力、取向力及氢键在 内的极性作用，将色散力和极性力综合运算，得到方程：
理论估算
表面能的产生是由于表面原子（离子、分子） 所处力场的不对称。不同结构类型的物质，其 表面力场的性质及不对称性不同。因此，表面 能的计算建立一种的表面结构模型计算。
高分子分析测试实训 Polymer Testing Training
接触角法
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。 杨氏方程 是物理化学领域最古老、最常用的方程之一，在界面科学领 域占有非常重要的地位。它既是量化润湿现象的基础，也是通过接触 角法计算固体表面能和固液界面能的基础。
LW-AB法
该方法由Van Oss等人提出，它认为极性部分可进一步描述为电子受 体和电子给体之间的相互作用，也称作质子酸碱作用，并将两相间的 自由能描述为方程：
(1 cos ) lg 2
高分子分析测试实训 Polymer Testing Training
表面能Gs与表面张力γs 的区别：
表面张力包括了两部分：
表现能的贡献，可认为是 固体中体相分子变为表面 层分子，新增表面分子数 目而引起的吉布斯自由能 的变化。
表面积的变化而引起表面能改 变的贡献，也可以解释为，表 面分子之间距离发生改变而引 起的变化，从而引起体系的吉 布斯自由能的变化。
高分子分析测试实训 Polymer Testing Training
拉力法
当把固体颗粒加热至融点附近时，会出现自动紧缩成球 的现象。此时固体应变速率与应力成一定比例。当应变 速率为零时，此时金属所受力应与表面张力成平衡。
劈裂法
借助于精巧的测力装置，测出劈裂固体形成新表面时 做的功。例如用一动摆，沿解离面撕幵云母片层结构， 摆的能量损失等于形成新表面的表面能。
1 cos
4
lg
d lg
d
lg
d sg
d sg
p
lg
p lg
p sg
p sg
本方程也有两个变量，需要进行两次不同液体对同一固体界面进行测试， 解联立方程得到固气界面的色散力和极性力，得到固体的表面自由能。 只是计算方法与Owens方法不同。
高分子分析测试实训 Polymer Testing Training
对于液体而言，由于其分子具有良好的可动性，在形成新的液体表面时， 分子瞬间可以达到平衡位置，因此通常认为液体的表面能与表面张力是 相等的。
=0
但对固体而言，这种移动很难，需要花很长的时间才能完成。在未完成 之前，所以二者不相等。
高分子分析测试实训 Polymer Testing Training
固体表面能的估算
对液体而言，其表面能（表面张力）容易测 量，但固体表面能是非常困难的，至今为止 还未找到一种能够从实验上直接测量的可靠 方法，一般可采用以下几种方法来进行估算。
温度外推
测定不同温度条件下固体融体的表面张力，根据表 面张力与温度的关系作图外推至凝固温度以下某温 度，估计其固态时的表面能。不准确
溶解热
固体溶解时，表面能以热的形式释放出来，于是可 以通过测定不同比表面的同种晶体的溶解热之差来 求品体的表面能。
该方法比较简单，但随配对液体的不同，计算结果会有较大不同。常用 液体为水和二碘甲烷。
高分子分析测试实训 Polymer Testing Training
Wu S方法
Wu S在研究高分子化合物之间的界面张力时，发现Fowkes公式有较 大误差，于是做了两点改进：一是用调和平均法计算不同分子间的引 力常数，二是不仅考虑色散力的影响，也考虑了分子间极性力的影响 ，其方程如下：