2020-12-21 17:07:56, 大昌华嘉 大昌华嘉科学仪器
固体材料表面的精确表征在材料的研究和许多工业产品开发过程中起着至关重要的作用。材料表面的润湿性在油漆、印刷和生物材料与细胞间相互作用等研究领域中同样是一种非常重要的表征参数。可通过测量液体与固体材料间的接触角来表征材料的润湿性。
表面自由能基本理论
著名的杨氏方程描述了固-液-气三相接触的平衡。具体公式如下:
图1 固液气三相点
界面张力γsv、γsl和γlv构成平衡,润湿接触角,即杨氏接触角θY。杨氏方程假定固体表面化学均一且光滑,如果实际样品表面有一定粗糙度,则可以使用粗糙度校准接触角来进行表征,具体方法会在后面的文章中指出。
接触角的一个重要的应用是通过测量接触角能够计算出固体的表面自由能。表面自由能与液体的表面张力的单位均为mN/m(=dynes/cm)。尽管接触角本身能够表征材料表面的润湿性,但接触角的结果与测试的液体有很大关系。
在(1)方程中,表面自由能是通过材料的接触角、液体表面张力和固液之间的界面张力计算得到的。前两者很容易在实验中获得,关键的问题是固液间的界面张力不容易直接测得。为了解决方程中的这个问题,必须要进行一系列假定。关于表面自由能的一系列假定应运而生。
吸附和附着
为能供更清晰的理解不同的理论,必须首先解释下“粘附功”的概念。热力学粘附是指将表面分成两个新表面所需要的功,如图2所示。粘附功方程如下:
图2 粘附和附着
表面自由能计算模型
表1 表面自由能方法总结
OWRK/Fowkes
将表面自由能划分成不同组分的想法假定了固液间界面张力数值取决于测试的固体样品和液体的种类。Fowkes假定固体的表面自由能(液体的表面张力)是单独部分的总和。
Wu
Wu模型受到Owen和Wendt的影响,也将表面自由能分成极性部分和色散部分。
Acid-base
Acid-base模型是近期兴起的表面自由能计算模型。Van Oss,Good和Chaudhury三者提出表面自由能可分为远距离的范德华力相互作用和短距离的极性相互作用。随后,相同的作者也指出,尽管大部分极性作用是发生在临近分子之间,能够通过吸引来改变分子顺序,可改变几个结合分子的直径。可以明确一点,是使用上标A和B来代替路易斯酸碱的相互作用。
Schultz 1&2
Schultz模型能够满足高能表面的表面自由能的计算。尽管从方法角度来说之前说的方法也可以使用,但问题在于高能表面采用接触角方法很可能数值很低或者接近于0。在这种情况下很小的误差会使结果有很大偏差。出于这种原因Schultz模型指出了需要将固体浸润到其他液体里面再用其他液体进行接触角测试。
EOS模型
尽管状态方程有很多不同的形式,做广为熟知的是Neumann提出的方程,如下所示:
当中的常数β=0.0001247是通过实验确定的。该模型只需使用一种液体。针对于该模型目前也有一些争议,争议涉及到常数β是否会恒定不变的;状态方程并没有将表面张力分成不同的部分;状态方程对于测试液体的纯度要求非常高;状态方程不能够像杨氏接触角一样通过热动力学方法解释前进角。
Zisman曲线模型
Zisman模型主要针对液体和固体间接触角接近0°的情况。表面张力的数值与表面自由能不同的是,并没有将其分成极性和色散部分。实际上,表面张力是通过测定同一表面和不同液体之间的接触角获得的。COSθ为Y轴,表面张力是X轴。
图4 Zisman曲线模型
非理想表面的表面自由能
表面自由能通过杨氏方程测试的接触角来确定。杨氏方程是假定固体表面为理想表面,理想表面意味着化学和形貌均一。然而实际上很难找到理想表面,表面或多或少都会有粗糙度的。如果通过接触角计算表面自由能而没有将固体表面的粗糙度考虑进去的话,表面自由能的数值是不准确的。因此针对粗糙表面建议使用粗糙度校准接触角来计算表面自由能。
总结
本文介绍了几种常见的表面自由能模型。表面自由能可根据极性相互作用分成不同的组分。然而,仍然有很多理论上的问题需要去探讨。本文并不能够建议那种模型更好,文章开始处的表中总结了各模型的特点及优点。在实际过程中建议如果需要数据比对的话,尽量使用同一种模型进行表面自由能的计算。
Biolin全自动表面张力仪
Biolin全自动表面张力仪是高端的表面张力仪,适用于研发、工业质量控制、常规测试和科研。两款设备均由计算机控制,自动化程度高。
高精度微天平和机械设计
全集成OneAttension软件,操作和数据存储高效便捷
全自动测试,避免人为误差,可节约时间
多种测试模式,提高仪器使用效率
人体工学和开放式设计,可便捷地接入仪器的不同附件
点击
06-14 HORIBA
【6月18日】HORIBA 售后服务直播正式上线!06-14 HORIBA
【CPHI China 2024】海能邀您共聚第二十二届世界制药原料中国展06-14
【海能实验室】电位滴定法测定氨基葡萄糖盐含量06-14
【解决方案】马兜铃酸的检测06-14 DIKMA
相约兰州丨甘青宁三省区分析测试技术前沿论坛暨实验室地域跨界交流大会06-14 DIKMA
相约合肥丨第二十三届中国食品安全检测技术高峰论坛06-14 DIKMA
展会邀请 | 上海仪电·科学仪器与您相约CPHI China 2024第二十二届世界制药原料中国展06-14
【邀请函】6月19日-21日|CPHI第二十二届世界制药原料中国展06-14 技尔 GL Sciences
气相色谱柱系列第三课:不同的气相色谱柱规格对分析结果的影响!06-14 技尔 GL Sciences
专业护航,行稳致远 —— HORIBA“服务万里行”首轮巡检圆满完成!06-13 HORIBA
新品发布预告 | 大咖邀约,速速报名!06-13 沃特世
时代印记,可靠之选 | Alliance HPLC经典二十八载06-13 沃特世
沃特世发布全新代谢组学和脂质组学软件06-13 沃特世
【快讯】探索无界,加速转化 | 2024“科学空间”系列前沿对话峰会之“探索与转化的加速可及”在沪成功举办06-13
后节手术: 利用术中OCT技术的好处06-13 徕卡显微系统
徕卡精准空间生物学解决方案 第二弹06-13 童昕
快速、可靠的清洁度分析解决方案06-13 徕卡显微系统
以完整的深度揭开生命的奥秘06-13 徕卡显微系统
【6月18-20 合肥】2024年第二十三届中国(合肥)食品安全检测技术高峰论坛06-13 食品安全的守护者