高分子界面化学简介

表面的摩擦与磨损、对表面的各种改性技术、利用
红外光谱、电子能谱对表面的鉴别。
Surface analysis measurement technique development
＊宏观性质 ●Surface tension ●contact angle
＊微观性质
●Surface composition (XPS, AES, SIMS, ISS)
Baidu Nhomakorabea
Surface and interface problems in polymer
materials(rubber, plastic, fibers, adhesives, coatings):
● Adhesion
● Surface wetting and spreading ● Polymer composites, base resin/fibers ● Polymer compounds, between polymer components ● Surface friction and wear ● Surface adsorbing ● Emulsion interface ● Surface radiation (X-ray, -ray, UV, Plasma etc.) ● Polymer materials for medicine
表面张力分子理论认为: 厚度约等于液体表面分子作用半径的一层 液体,称为液体表面层. 表面层分子受力： 液体内部分子内聚力作用 液体外部气体分子作用 液体表面分子
可忽略不计 受不平衡力作用
液体内部分子处于受力平衡状态
表面层分子较液体内部分子有较大的位能, 这
种表面分子所特有的位能-----表面能
表面张力
有相同的量纲。（朱步瑶，赵振国等，“界面
化学基础”，化学工业出版社，北京，1996）
弯曲液面下的附加压强
f 液面水平，则表面张力也是水平的
f=0
平面内的弯曲液膜，在表面张力作用下，有 取平面形状的趋势。 f f = (+)
附加压强
f f=(-)
表面张力与附加压强关系
Laplace方程：P = (1/R1 + 1/R2) 圆柱体 平面 球体 R1 = , P = /R2 R1 = R2 = ，P = 0 R1 = R2 = R， P = 2/R
毛细现象
●毛细管插入液体内，则管内外液面会产生高度差的现象。
液体能润湿管壁，则管内液面升高； 液体对管壁润湿不良，则管内液面会低于管外液面。 ● Jurin 方程 h = 2cos /rg
r
R h h
毛细现象的实质是液面曲率差导致流体内部压力差，按 照流体力学规律发生从压力高处向压力低处的流动。
宏观：液体表面象一张绷紧了的弹性膜，沿着表面有 种收缩倾向的力。是一种很普通的现象。 微观：稳定平衡应有最小位能，但表面分子位能最大， 有尽量挤入内部趋势，使液面越小，位能越小。液体 有尽可能缩小其表面的趋势。
例如：玻板上的水银，蜡纸上的水滴，表面张力促使收缩成球型。
(1) f1 N
M (2) NM=L M’ F B
Polymer Interface Chemistry
高分子界面化学
Interface Chemistry
研究在不均相物系中，存在于异相界面上的物理
现象、化学现象、界面的规律性的一门学科。
Polymer Interface Chemistry
专门研究高分子材料表面与界面的现象、组成、
结构、形态与性能的一门新兴边缘学科。
= f / L，表面张力系数，N/m
量值上等于沿液面作用在分界 线单位长度上的表面张力 = E/ S
f2
A
M
L
增加单位表面积时所需的功， 或表面能的增量
表面张力系数与表面能增量数值 C 相同
D
N
X
N’
表面张力和表面自由能分别是用力学方 法和热力学方法研究液体表面现象时采用 的物理量，具有不同的物理意义，却又具
几何概念：它不同于两边相态的实体，有独立的相、占有一定空间，
有固定的位置，有相当的厚度和面积。
● 界面和两边相态有依存关系
● 地球上物体与空气形成：液/气，固/
气界面，非表面
由此可知，表面和界面都有明确的科学
含义。
界面类型
根据物质三种状态，每两相相接触形成界面. Liquid/Gas, Liquid/Liquid, Solid/Gas, Solid/Liquid, Solid/Solid五种界面.
界面现象
G/L L/L S/G S/L 蒸发，蒸馏，表面张力，泡沫，雾 乳液、界面张力 气体吸附，气蚀，升华，尘，烟，催化反应，气体与固体 间的化学反应 从溶液中吸附溶质，电解，高分子胶体，焊接，润湿， 防水，接触角，浮选，粘合，润滑，催化，摩擦
S/S
粘合，摩擦，磨损，吸铁石，合金，固相反应
表面张力和界面张力 ----- 液/气表面、液/液界面最重要的性质之一.
由于大多数高分子材料都是多组分、 多相、非均相结构，相与相的接触存在大
量界面，界面的结构、组成、能量、性能
和形成条件对多相高分子材料性能起着关
键性作用。和材料整体相性能不同。
● 牵涉了多学科知识的一门新兴边缘学科
从聚合物表面的化学、物理、电学、力学、改 性技术以及对表面的鉴别和应用等不同角度论述聚 合物的表面能，包括聚合物的表面能、粘合作用、
●Surface structure (LEED, FIM)
●Surface energy (XPS, UPS, ELS, INS) ●Surface morphology (TEM, SEM)
学习内容：
1. 理解界面化学的基本概念 2. 了解界面的形成及其物理化学结构 3. 了解界面改性及界面分析测试技术
毛细现象举例
●原油和水在地层中的流动以及纺织品的润湿性、渗透性
●泡沫和乳状液的稳定性
●压汞法测定孔性固体孔隙度
Reference：
1. 张开，“高分子界面化学”，中国石化出版社，北京，1997 2. S. 吴[美]，潘强余，吴敦汉译，“高聚物的界面与粘合”，纺织工 业出版 社，1987 3. 筏义人[日]，徐德恒译，“高分子表面的基础和应用”，北京化工出 版社，北京，1994
4. D.T. 克拉克，W.J. 费斯特[英]，张开等译，“聚合物表面”，化学 工业出版社，北京，1985
界面化学概念
表面：在真空状态下，物体内部和真空之间的过渡区域，是物体最外面
的几层原子和覆盖其上的外来原子和分子所形成的表面层。
表面层有其独特的性质,和物体内部的性质完全不同.
几何概念：表面是具有二维因次的一块面积，无厚度、体积。
界面：两个物体的相态相接触时的过渡区域，由于分子间的相互作用，
形成在组成、密度、性质上和两相有交错并有梯度变化的过渡区域。
5. B.W.Cherry, “Polymer Surfaces”, Cambridge University Press, London, 1981 6. 朱步瑶，赵振国等，“界面化学基础”，化学工业出版社，北京， 1996
7. 华中一等，“表面分析”，复旦大学出版社，上海，1989
Chapter 1