表面自由能

什么是表面自由能量？

想象一下一滴液体中的单个分子。分子被一个均匀的环境所包围，并将经历有凝聚力的来自相邻分子的力，导致分子倾向于留在散装中。当我们朝向液体的表面移动时，该分子将对散装体验到堆积的内聚力，但也有些弱胶粘剂朝向相邻阶段的力量。结果是净吸引力进入体积的体积，倾向于减少表面的分子数并增加表面分子之间的分子间空间。增加的分离需要能量，就像在拉伸弹簧时一样，这种过剩的能量引起表面张力和表面自由能（SFE）。

表面张力和SFE在数学上等同，但在其对表面的解释方面具有巧妙的不同。表面张力是每长度在沿着表面的所有方向上作用的张力力，其公共单元是Mn / m或Dyn / cm。SFE被解释为创建新表面积所需的能量，其常见单位是MJ / m²(相当于mN / m)。固体-蒸汽表面的表面自由能是决定液体如何润湿表面的关键性质。了解SFE在许多应用中都很重要，包括涂料、防水织物、提高油回收率等等。188金宝搏app安卓下载

如何测量表面自由能量？

一种常用的测量SFE的方法是测量固定在感兴趣的固体表面上的标准液体液滴的接触角。静态接触角(图1)是液体和固体之间表面张力平衡的指示(γ_SL），液体和气体（γ_Lv.）和固体和气体（γ_SV），如年轻方程所描述的[1]，

γ._Lv.cos⁡θ=γ._SV- - - - - -γ_SL（1）

1式在视觉上的简单性具有欺骗性。首先，方程假设一个光滑的均匀表面，整个系统处于热力学平衡状态。其次，每个表面张力可以被认为是代表不同分子间作用力的若干分量的总和:γ_Lv.=γ_Lv.^d+γ._Lv.^p+γ._Lv.^h+γ._Lv.^我+γ._Lv.^ab+γ.^o其中D，P，H，I和AB分别代表分散，极性，氢键，诱导和酸碱相互作用。γ.^o代表额外的互动。这个概念是由下午5点提出的。母猪[2]。

使用eq。1确定SFE的测量接触角将需要另一种方程。虽然存在许多方法，但下面讨论了几个最常见的方法。

延长的母猪或OWRK方法（几何平均值）

如上所述，在固-液界面上的液体分子将受到类似分子对本体的粘结力，以及固体中分子的粘结力。由于力的不平衡，分子停留在这个表面所需要的能量是不同的，而不是在整体上。虽然Fowkes最初只考虑了伦敦色散力对这种过剩能量的贡献[2]，但Owens和Wendt后来也考虑了极性相互作用[3]。使用几何平均法，液体分子驻留在表面的能量差可以表示为

ΔE._l=γ_Lv.√(γ_Lv.^dγ._SV^d) - - -√(γ_Lv.^pγ._SV^p）（2）

还可以找到用于固体分子的能量差的类似表达，以存在于表面处。围绕居住在表面的液体和固体分子的这些能量差异使得形成新表面所需的总能量，

γ._SL=γ_Lv.+γ._SV- 2¼（γ_Lv.^dγ._SV^d) - - -√(γ_Lv.^pγ._SV^p), (3)

结合了eq后。3 eq。1，找到OWRK方程：

γ._Lv.（1 +cosi⁡θ）= 2（√（γ_Lv.^dγ._SV^d）+√（γ_Lv.^pγ._SV^p）).（4）

等式4用于找到两个未知数γ_SV^d和γ_SV^p因此，与至少两个具有已知γ的液体接触角度测量_Lv.^d和γ_Lv.^p需要。一个液体应主要是极性（例如水或甘油），一个液体应分散（例如二碘甲烷）。之后，固体液体表面的总表面自由能是γ_SV=γ._SV^d+γ._SV^p．OWRK方法是使用接触角测量来确定固体表面自由能的一种常用方法。

WU方法（谐波）

S. Wu和K.J. Brzozowski提出了一种相对于几何平均值的倒数或调和平均值，声称几何平均值方法不适用于极-极系统[4]。在这种情况下，创造新表面的能量是

γ._SL=γ_SV+γ._Lv.((γ- 4_SV^dγ._Lv.^d) /(γ_SV^d+γ._Lv.^d) +(γ_SV^pγ._Lv.^p) /(γ_SV^p+γ._Lv.^p）]（5）

结合Eq. 1，得到Wu方程

γ._Lv.(1 + cos⁡θ)= 4(γ_SV^dγ._Lv.^d) /(γ_SV^d+γ._Lv.^d) +(γ_SV^pγ._Lv.^p) /(γ_SV^p+γ._Lv.^p）]（6）

与OWRK方法一样，测量SFE需要两种液体——一种极性液体和一种色散液体。在实践中，OWRK通常比Wu方法更精确。

Van OSS-Chaudhury-Weent方法（酸碱）

C.J. van Oss, M.K. Chaudhury和R.J. Good基于Lifshitz关于宏观体[5]之间引力的理论，发展了一种更先进的方法。他们提出固体SFE包含两个项:Lifshitz-van der Waals相互作用，γ^LW.，由分散，极性和感应相互作用组成;和酸碱相互作用，γ^一个和γ^b， 在哪里一个表明酸和b表示基础。在这种方法中，使用SFE使用

γ._Lv.（1 +cosi⁡θ）= 2（√（γ_Lv.^LW.γ._SV^LW.）+√（γ_Lv.^bγ._SV^一个）+√（γ_Lv.^一个γ._SV^b）））（7）

由于Van Oss-Chaudhury-Good方法有三个未知数，γ_SV^LW.，γ._SV^一个和γ_SV^b，需要用三种液体测量三次接触角:一种分散液体(如二碘甲烷)和两种极性液体(如水和甘油)。虽然这种方法有可能对表面性质提供更深入的了解，但有时出现的负平方根没有得到适当的解释，导致许多反对[6]理论。