表面能的测试原理方法步骤

表面能的测试原理、方法、步骤．

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。

一、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。

二、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液体表面能和固液界面能作用，使得液体在固体表面呈现特定的接触角（见图1）。提出了著名的杨氏方程（1）式来描述它们之间的关系：

2

3

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将式（9）与式(1)联立，可以得到：

可以通过化学手册查得或直接测量获得，而固体材式中，液体的、、

未知，故只需测量、3料的种液体，即可计算出固体的表面能。、1)基于状态方程途径

Antonow规则

按照Antonow规则，、、之间的关系可写成固液界面能状态方程:

(1)将式(11)与式结合，可以得到

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:

分子的色散能量系数，是l对ij分子的色散能量系数。式中是:l对式（13）可

写成Berthelot几何平均规则:

式中:是不成对分子i和j相互作用的势能参数，和ii分别是成对分子与

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jj相互作用的势能参数。又因为在热力学中固液之间单位面积上的粘附功等于分开固液界面单位面积所需的能量。

根据Antonow几何平均规则粘附自由能约等于固体粘附自由能和液体粘

:

附自由能的几何平均数，即

液体粘附自由能，固体粘附自由能，（16）式可转化为:

结合式（15）和式（17）可得到固液界面能状态方程:

将式(25)与式(1)联立，可以得到:

由式(19)可知，测量一种液体在待测固体表面的接触角，就可以计算得到固体表面能。

Berthelot规则的改进

规则的基础上引入了一个因子式（14Berthelot）此方法是在:

转化为

式中:是经验参数，用来量化几何平均规则的偏差。由于几何平均规则高估了

故引入校正因子非成对分子间的相互作用强度，它应当是，之6

差的减函数，并且当的差等于0时等于1。基于这种思路，修正了Berthelot :

规则

固液之间的粘附自由能可表示为者:

式中是未知常数，而，则:

式中是未知常数,将式(23)与式(15)联立，可以得到固液界面能状态方程:

将式(24)与式(1)联立,可以得到:

因此，当已知，测得液体的表面能和的情况下，固体表面能可以通过式（25）和常数也可以求得。和时，同一固体表面能求得，显然，在给定一系列

三、表面能的测试步骤

(一)接触角的测量

1)材料与接触角测量仪

通常待测固体材料表面的粗糙度须控制在纳米级或纳米级以下，且要求表面化学均一性较高。此外，在准备待测液体时，还必须遵循以下原则：(1)液体的表面能应当大于待测固体的表面能；(2)液体与待测固体之间无化学反应；(3)液体无毒。

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接触角测量仪通常由样品台、进样器、光源、CCD等部件构成。固体材料水平安装在样品台上，并保证其与CCD在同一水平面。一般接触角测量仪的进样是从材料表面上部进样：进样器的针头浸入在液滴中，测量前进角时，随着时间的推进，液滴不断增大；测量后退角时，随着时间的推进，液滴不断减小。

整个过程可利用测量仪的内置CCD拍摄界面图像，然后采用某种方法计算接触角值。

2)接触角的计算

量角法

量角法是在获得界面图像后，在气、液、固三相接触处做液气界面的切线，使用量角器直接量出接触角角度的方法。此法的优势在于方便、快捷，也是过去最常用的方法之一。但是，此法受操作者个体差异影响较大，重复性差，精确度低，而且不能实现动态实时大规模接触角数据的测量。

量高法

，然后根据式计算出h和液滴的宽度2R首先测量液滴的高度接触。液滴形状分析法

随着计算机技术的发展，其强大的图像处理技术在测量接触角时发挥了独特优势。目前，几乎所有的接触角测量仪都配有接触角分析软件。这些软件都是使用液滴