表面及界面习题

Chapter 1
1、表面与界面的定义。

1)表面：固体与真空的界面；
2)界面：相邻两个结晶空间的交界面称为“界面”。

2、叙述表面与本体的不同点。

表面与本体：结构、化学组成、性质都存在不同。

材料与外界的相互作用是通过表面来进行的。

因此，表面具有特殊性，它的性质将直接影响材料的整体性质。

材料的性质虽然与组成的本体有关，但其表面对性能的影响却占很大的比重。

因为，不少性能是通过表面来实现的，如表面硬度、表面电导，同时，材料某些性能将通过表面受到外界环境的影响。

3、什么叫相界面？有哪几类？
1)相界面：相邻相之间的交界面成为相界面。

2)分为3类：固相与固相的界面，固相与气相的界面，固相与液相的界面。

4、材料表面与界面的表征手段有哪些？
材料表面与界面的表征主要通过对比表面积、表面力（表面能）等测定来实现
1）比表面积
a 静态吸附法（BET ）（测量准确度和精度都很好，但达到吸附平衡慢，仪器装置较复杂，需要高真空系统，并且要使用大量的汞，逐步被动态吸附法所取代）
b 动态吸附法：常压流动法，气相色谱法（操作简单而快速 ）
2）表面力
a 高聚物熔体表面力外推法(γ∝T 成直线关系，测定不同温度下高聚物熔体的表面力，外推到20℃时的表面力)
b Zisman 的浸润临界表面力法(测定固体在已知表面力的液体中的接触角 )
C 还有几何平均方程求解法、状态方程测求法等等
d 理论计算：等比容法、聚能密度法、Tg 参数计算法
5、试述表面力产生的原因。

材料的表面结构和性质与其本体有明显的差别，这是因为位于材料本体的原子受到周围原子的相互作用是相同的，处于对称力场之中，总的作用之和等于0；而处于表面的原子只有局部受到与本体相同的相互作用，而其余的部分则完全不同,表面由此产生表面力。

6、单位体积的物体所具有的表面积称为比表面，请得 出下列结果：
(1)半径为r 的球形颗粒，其比表面为：
(2)质量为m ，密度为ρ的球形颗粒的比表面：
(3) 边长为L 的立方体的比表面为：
(4) 质量为m ，密度为ρ的立方体的比表面为：
7.水蒸气迅速冷却至25℃会发生过饱和现象。

已知25℃时水的表面力为71.49×10－3 N/m ，当过饱和水的蒸气压为正常平衡蒸气压的4倍时，求： （1）在此过饱和情况下，开始形成液滴的半径； （2）一滴此种水滴中含有多少个水分子？
r M 2r V 2P P ln RT 0ρσ=σ=
8.在20℃下，若水的密度为ρ＝998.2kg/m3,表面力为72.8Х10-3N/m，若水滴半径为10-6cm，求水的过饱和度。

T=293K， r=10-6cm=10-8m, R=8.314JmolK,M=18g/mol=18*10-3kg/mol
9.乙醇的表面力符合公式σ＝72－0.5c+0.2c2,c是乙醇的浓度（mol/L），温度为25℃，计算0.5 mol/L乙醇溶液的表面超量。

10.毛细管法测定液体表面力的原理是什么？为什么要对毛细管法进行修正？
1）PPT chapter 1 P11 第一 PPT 推到出表面力的公式即可
2）原因
（1）对凹月面看作为球面的近似处理
（2）只有在凹月面的最低一点毛细上升高度才是h，在其他各点上，毛细上升高度都大于h。

11.在20 ℃时用毛细管法测定苯的表面力，得到下列数据，求苯的表面力。

r=0.0550cm, h=1.201cm,ρ苯=0.8785g/cm3, ρ空气=0.0014g/cm3
a为毛细常数，它是液体的特性常数
12.19 ℃时丁酸水溶液的表面力可表示为：
为纯水表面力；a、b为常数，各为5.097×10－2 mol/L与0.180;c为浓度求：（1）c=0.200 mol/L时的；
（2）c/a》1时的值，并计算丁酸分子所占面积
13.比较物理吸附和化学吸附的区别。

14.什么是Young方程？接触角的大小与液体对固体的润湿性好坏有怎样的关系？
15.润湿过程有哪些类型？
可分为附着润湿，铺展润湿，浸渍润湿3中类型
（三种润湿的共同点是液体将气体从固体表面排挤开，使原有的固－气或液－气界面消失，而代之以固－液界面。

）
16.为什么说铺展是润湿的最高形式？
铺展力
17.如何求润湿过程中的黏附功、浸润功、铺展系数？
18.掌握气体吸附法测定固体的比表面积的方法。

（用BET 模型来测定固体的比表面积。

）
Chapter 2
1、叙述高聚物的粘结及衡量粘结好坏的物理量。

1）粘结就其实质来说是一种界面现象，粘结过程是界面物理和化学发生变化的过程。

高聚物的粘结行为与高聚物的表面能直接有关。

2）衡量粘结好坏的物理量为粘结强度，粘结强度与粘结界面的作用力有关。

2、简述粘结界面的三类作用力。

1）机械力：如抛锚作用和摩擦作用所产生的力
2）界面分子间作用力（德华力）
3）化学键力：两者分子相互接近至1-3a 时，发生化学反应而形成的力。

3、简述表面状况对粘结的影响和表面改性的方法。

1）粘结强度是界面粘结好坏的量度，如果界面得到理想的粘结。

那么界面粘结强度是十分可观的，事实上粘结强度只有理论值的极少一部分，这是因为：粘结过程分子间接触不良造成粘结界面上留有微孔缺陷，减少粘结界面积。

并引起应力集中，促使早期破坏。

另外，由于界面存在有残余热应力和收缩应力也促使粘结强度损失。

2）表面改性的方法：
化学处理法（氧化法）；
表面涂成改性法：化学涂层改性，硅烷偶联剂涂层改性；
等离子体表面改性
4、简述材料界面的粘结理论。

1）粘结键理论2）界面浸润理论 3）变形层理论 4）束缚层理论 5）可逆水解理论 6）扩散层理论7）弱边界层理论
Chapter 3
1、怎样用表面力与温度或相对分子质量的关系间接测定 高分子材料的表面力?
高聚物熔体表面力外推法：
（γ∝T 成直线关系，测定不同温度下高聚物熔体的表面力，外推到20℃时的表面力）
2.分别用等比容和聚能密度法估算下列高分子化合物的表面力。

(1)聚苯乙烯 (2)聚乙二醉(聚氧化乙烯) )
(LG SL SG SC γγγ+-=
3、怎样用几何平均法和调和平均法来测定聚合物的表面力及其分量?平均法的例题，请用调和平均法进行计算。

（不考）
表面力可由组成界面两相的表面力的几何平均值来估算
4、怎样测定固体材料的临界表面力?临界表面力是否等于固体的表面力?为什么?
1）固体的临界表面力等于与该固体上接触角恰好为零的液体的表面力；
2）不相等，临界表面力比固体表面力σS小。

5、总结固体聚合物表面力的测试方法。

（1）由熔融聚合物的表面力-温度关系外推；
（2）由表面力与分子量关系，以σ -M-2/3 或σ 1/4对Mn-1作图外推；
（3）由等比容法估算
（4）由表面力与聚能关系估算
（5）测定液体对聚合物的接触角由方程式（3-40）求取σ SL；
（6）用两种已知σd和σp的液体测定其对高聚物的接触角,由几何平均法或调和平均法，按式（3-47）或（3-51）求出高聚物的表面力及其分量
（7）用同系列液体测出其对高聚物的接触角，以cosθ - σ LV作图，求临界表面力σ C。

（8）用一系列测试液体测定其对高聚物的接触角θ，由式（3-58）求出σ C,φ，以σ C,φ对σ LV作图，求σ S的状态方程法.
6。

求甲基丙烯酸甲酯
(PMMA)的表面力
7.计算聚四氟乙烯的表面力，已知V=45.5cm3/mol。

7、计算PVC的固体浸润表面力，已知水对PVC的表面接触角为87度，二碘甲烷对PVC 的接触角为36度。

Chapter 4
1、什么是表面活性剂?表面活性剂的分子结构有什么特点?
1) 像第三类物质那样，加入很少量就能大大降低溶剂的表面力，使表面呈现活性状态的物质称为表面活性剂。

2）表面活性剂分子有两种不同性质的基团所组成，一种是非极性的亲油基团，另一种是极性的亲水基团。

2、表面活性剂的浓度对溶液的表面力有怎样的影响，为什么有这样的影响?
原因：
1）物质的加入会使溶剂表面力略微升高，属于此类物质的强电解质有无机盐、酸、碱等； 2）物质的加入会使溶剂的表面力逐渐下降，如低碳醇、羧酸等有机化合物；
3）物质少量加入就会使溶剂表面力急剧下降，但降到一定程度后，就变得很慢或几乎不下降。

3、表面活性剂按亲水剂类型可怎样分类?
可分为阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、两性表面活性剂、非离子型表面活性剂4、何谓HLB值? HLB值对表面活性剂的选用有何指导意义？
1）亲水-疏水平衡值HLB；
2）HLB的大小表示表面活性剂亲水亲油性的相对大小，HLB值越大，表示该表面活性剂的亲水性越强，HLB越低，则亲油性或疏水性越强。

5、试求表面活性剂十二烷基苯磺酸钠的HLB值。

（不考）
6、什么是相转移温度?用PIT表示表面活性剂的亲水、亲油性较HLB值有什么优点？
1）非离子型表面活性剂乳状液随着温度升高,从原来O/W型转变为W/O型的温度,称为相转型温度(PIT), 也叫做亲水-亲油平衡温度(HLB温度).
2）HLB的三个缺点：（1）它没有考虑到油相与水相本身的性能（2）它没有考虑表面活
性剂浓度的影响（3）它没有考虑到温度及各相体积的影响
7、什么是CMC浓度?试讨论影响CMC的因素。

请设计一种实验测定CMC的方法。

1）少量活性剂的加入可使水的表面力迅速下降，但到某一浓度后，水溶液的表面力几乎不变。

这个表面力转折点的浓度称为临界胶束浓度（CMC)
2）影响因素：疏水基，亲水基，温度，其他因素（如加入电解质）
3）方法：貌似不考
8、怎样根据Gibbs方程，通过溶液表面力随表面活性剂浓度变化曲线的测定，求得
表面活性剂溶液的饱和表面吸附量以及表面活性剂分子在溶液表面上的占有面积?
（不考）
9、温度对离于型表面活性剂和非离于型表面活性剂溶解度的影响有什么不同?为什
么离子型表面活性剂在K．P点以上溶解度迅速增大，而非离于型表面活性剂在C.P 点变成浑浊?
1)离子型表面活性剂的溶解度随温度变化的特点是在足够低的温度下，溶解度随温度升高而慢慢增大，当温度达到某一定值后，溶解度会突然增大.非离子型表面活性剂溶液的溶解度随温度升高而下降，当温度升到一定值时，溶液突然变成混浊.
2)
3)当温度上升时，氢键被削弱，升到一定温度，氢键断裂，表面活性剂从溶液中析出，使溶液突然变浊。

Chapter 5
1、对聚合物进行表面处理的目的是什么?
表面处理的目的就是改变表面化学组成，引进带有反应性的功能团；清除杂质或弱边界层等，改变界面的物理形态，增加表面能，以提高聚合物表面的润湿性和粘合性等，通过表面接枝反应，设计界面过渡层。

2、聚烯烃薄膜经电晕处理后表面性能可能发生怎样的变化?
这些高能粒子与聚合物表面作用，使聚合表面产生自由基和离子，在空气中氧的作用下，聚合物表面可形成各种极性基团，因而改善了聚合物的粘接性和润湿性。

电晕处理可使薄膜的润湿性提高，对印刷油墨的附着力显著改善。

3、为什么抗氧剂对聚合物的高温热处理有较大影响而对火焰材料没有影响?
因为火焰材料的表面本身就含有含氧基团，所以抗氧剂对其不会有影响。

而聚合物表面本
身不含含氧基团，受到高温热处理容易引进含氧基团，因此有较大影响。

4、低温等离子处理对聚合物的表面改性能产生些什么效果？
低温等离子体对聚合物的表面改性在反应气体的或非反应性气体的气氛中进行反应。

在氧气氛中,聚合物表面等离子氧化反应是自由基连锁反应,可生成含氧基团,如羧基, 羟基,羰基,过氧基等.
5、聚合物表面接枝有哪些方法？其原理各是什么？
1)表面接枝的方法可归类为三类：表面接枝聚合，大分子偶合反应，以及添加接枝共聚物。

2)表面接枝聚合:通过某种特殊技术，使聚合物表面产生活性种，用该表面大分子活性种引发乙烯基单体在聚合物表面接枝聚合。

通过表面接枝，聚合物表面生长出一层新的具有特殊性能的接枝聚合物层，从而达到显著的表面改性效果，而基质聚合物的本体性能不受影响.
大分子偶合反应:偶合接枝法是利用高聚物表面的官能团与接枝聚合物反应而实现聚合物的表面改性。

添加接枝共聚物:顾名思义
Chapter 6
1、什么称谓高聚物的变形摩擦和粘着摩擦。

为位于界面或靠近界面很薄的界面区，与刚性物体和高聚物之间真实接触面积相关，其厚度大约100Χ10-9m——粘着摩擦
为位于界面以下的聚区，与刚性物体和高聚物之间宏观接触面积相关，其厚度与接触长度相仿——变形摩擦
2、高聚物的磨损过程涉及哪几种机理？
高聚物的磨损过程涉及多种机理，以下述三种为主：
（1）磨粒磨损：对摩面上硬的粗糙面或对摩面间的硬颗粒的切割或刨犁作用使软质高聚物变形与断裂，
（2）粘着磨损：对摩面间的粘着作用使高聚物从一个摩擦面转移到另一摩擦面，
（3）疲劳磨损：局部围周期性应力作用造成高聚物的开裂与劈除。

3、摩擦与磨损的定义。

摩擦：抵抗两物体接触表面发生切向相对运动的现象称为摩擦。

磨损：物体相对运动表面的物质不断损失或产生残余变形称为磨损。

Chapter 7
1、何谓复合材料？
用经过选择的、含一定数量比的两种或两种以上的组分（或称组元），通过人工复合、组成多相、三维结合且各相之间有明显界面的、具有特殊性能的材料。

2、简述纤维增强复合材料的原则。

a.连续纤维复合材料：作为分散相的长纤维的两个端点都位于复合材料的边界处；
b.非连续纤维复合材料：短纤维、晶须无规则地分散在基体材料中；
3、何谓复合材料的界面？通常包含哪些部分？界面会产生哪些效应？
1)复合材料的界面是指基体与增强物之间化学成分有显著变化的、构成彼此结合的、能起载荷传递作用的微小区域。

2)基体和增强物的部分原始接触面；基体与增强物相互作用生成的反应产物，此产物与
基体及增强物的接触面；基体和增强物的互扩散层；增强物上的表面涂层；基体和增强物上的氧化物及它们的反应产物之间的接触面等。

3)传递效应，阻断效应，不连续效应，散射和吸收效应，诱导效应
4、影响界面结合强度的因素有哪些？
表面的几何形状、分布状况、纹理结构；表面吸附气体和蒸气程度；表面吸水情况，杂质存在；表面形态在界面的溶解、浸透、扩散和化学反应；表面层的力学特性，润湿速度等。

5、如何改善增强材料与基体间的浸润性？
为了提高复合材料组分间的浸润性，常常通过对增强材料进行表面处理的方法来改善润湿条件，有时也可通过改变基体成分来实现。

6、为什么说界面对复合材料的性能起着重要的作用？
界面的粘结强度直接影响着复合材料的力学性能以及其它物理、化学性能，如耐热性、耐蚀性、耐磨性等。

7.什么是偶联剂?说明硅烷偶联剂对玻璃纤维增强塑料的作用机理。

用偶联剂进行表面处理有哪些方法?
1）所谓偶联剂是分子中含有两种不同性质基团的化合物，其中一种基团可与增强材料发生化学或物理的作用。

另一种基团可与基体发生化学或物理作用。

通过偶联剂的偶联作用，使基体与增强材料实现良好的界面结合。

2）作用机理：硅烷偶联剂与玻纤表面以Si－O－Si化学键结合，同时在玻纤表面缩聚成膜，形成了有机R基团朝外的的结构
3）电晕和接枝
7、举例说明高性能纤维的表面处理方法，怎样表征纤维处理后表面结构与性能的变化?
1）表面清洁处理在惰性气氛中加热到一定温度保温，清除纤维表面吸附的水分和杂质。

2）表面氧化处理 A 气相氧化 B 液相氧化法
3）表面涂层法
( 加热下用空气、氧气、臭氧、二氧化碳等处理碳纤维，使纤维表面产生含氧基团。

优点：设备简单，反应时间短，易连续化；
缺点：反应难控制，重复性差，纤维损伤大。

加入少量金属杂质，如铜、铅等，可控制催化氧化，防止过度刻蚀纤维。

用液态氧化剂进行氧化；
优点：氧化效果好，对纤维损伤小；
缺点：处理时间长，难连续化，有废酸处理问题。

)
Chapter 8
1、纤维表面处理的作用？
表面处理的作用：
1）消除表面杂质。

增大比表面积；
2）增大表面能，提高对基体树脂的润湿性；
3）引进反应性官能团，与基体形成化学键；
.
4）形成界面过渡区。

2、什么叫碳纤维？
碳纤维是由90%以上的碳元素组成的纤维。

碳原子结构最规整排列的物质是金刚石，碳纤维结构近乎石墨结构，比金刚石结构规整性稍差，具有很高的抗拉强度，它的强度约为钢的四倍，密度为钢的四分之一。

同时具有耐高温、尺寸稳定、导电性好等其他优良性能。

3、什么是化学键理论?化学键理论有什么缺陷?举例说明化学键理论在碳纤维表面处理中的应用。

1)化学键理论的主要论点是处理增强剂表面的偶联剂应既含有能与增强剂起化学作用的官能团，又含有与树脂基体起化学作用的官能团。

由此在界面上形成共价键结合，如能满足这一要求则在理论上可获得最强的界面粘结能（210～220J/mol）。

2)对经表面处理的碳纤维，由于表面有羧基，酚羟基和氨基的存在，而提出了纤维与基体树脂发生反应生成共价键。

这种说法已由表面基团与模型化合物相互作用得到证明。

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