接触角法测定聚合物表面的表面能

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
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
LW LW sg lg
sg lg
sg lg
这种方法要进行三次不同液体对同 一固体表面接触角的测试，求联立 方程，得到固体的三个分量。
d sg
lg (cos
4
1)2
d sg ：固气界面色散力
lg ：液气界面自由能
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。
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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：
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
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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
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接触角法测定聚合物表面的表面能
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。
聚合物相分离
4.00 0
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。
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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。
1 cos
4
lg
d lg
d
lg
d sg
d sg
p
lg
p lg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。
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TEM
2.00
2.00
AFM
4.00 0
um
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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。
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。
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。
该方法是目前接触角仪器采 用最多的计算表面能的方法 。常用液体为水、甘油和二 碘甲烷。
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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：
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
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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：
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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。