表面自由能

为增加一相表面面积而做的功就是表面自由能。因为是单位面积的能量,表面自由能的单位是mJ/m2,等量单位mN/m也经常使用。公式中常用符号为σ。

表面自由能一般用于固体表面,当与液体有关一般(在本术语表中)为表面张力(SFT)。

背景

接触角和表面自由能

因为不容易区分扩大表面积的功和形变功,表面自由能一般借助于与不同液体的接触角间接地测定。

根据杨氏方程,固体表面自由能 σs和接触角θ,液体的表面张力σl以及固液之间的界面张力 σsl存在关系:

接触角原理图

有很多方法可以借助接触角来计算表面自由能。大多数情况下,为计算界面张力建立以下形式的另一个等式:

这些模型的差异在于表述了不同组分的相互作用,即产生表面张力和表面自由能σ的每个相的相互作用有所不同。.

表面自由能计算模型

根据作者的方法 表面张力组成
Fowkes 色散部分和非色散部分
Owens-Wendt-Rabel & Kaelble 色散部分和极性部分
Wu 色散部分和极性部分
Schultz 色散部分和极性部分,在环绕相中测试
Oss, Good (acid-base) 路易斯酸碱部分
Extended Fowkes 色散部分,极性部分和氢键作用
Zisman 不区分组成,由临界表面张力决定
Neumann 状态方程 不区分组成

意义

固体的表面自由能对润湿性有决定性影响,通过它可以粗略估计接触角、粘附功、与已知性质液体的界面张力。这个信息同样与涂层,喷涂,清洁,印刷,亲水疏水涂层,粘合和分散等等相关。

测量方法

  • 液滴形状分析(DSA):通过测量附着液滴的液滴轮廓和表面(基线)的交点(三相点)来计算接触角。仪器:DSA100DSA30DSA25MSA,MobileDrop
  • Wilhelmy板法:测量液体中竖直的板状固体受竖直方向力作用。这个力取决于接触角和表面张力和浸湿长度仪器:K100
  • 粉末接触角测定使用Washburn法:在天平下端挂一个装有粉末的管子,使之浸入液体。由于毛细管力作用,重量会随时间增加。重量变化率取决于包括接触角的诸多因素。仪器:K100
  • 顶视距离法:通过测量因液滴表面曲率产生的反射的光点之间的距离来计算接触角。仪器:TVA100