表面自由能

表面自由能是什么?

图片在一个分子一滴液体。分子被均匀的环境中,将体验有凝聚力的从相邻分子,导致分子倾向于留在散装。当我们迈向液体的表面在接触另一个阶段,分子凝聚力量将经历对大部分还有一些实力较弱的万博max体育胶粘剂部队向相邻阶段。结果是一个净吸引的大部分倾向于减少分子在表面和增加表面分子之间的分子间空间。增加分离需要能量,就像当拉伸弹簧,这多余的能量产生表面张力和表面自由能(医药)。

表面张力和超临界流体在数学上等价但表面略有不同的解释。表面张力是一种张力/长度作用沿表面,四面八方及其常见的单位是mN / m或达因/厘米。超临界流体被解释为创建新的表面积,所需要的能量及其常见的单位是mJ / m²(相当于mN / m)。超临界流体solid-vapor表面是一个关键的属性决定了液体将如何湿表面。理解技术是重要的在许多应用程序中包括涂料、防水处理面料,采油,等等。

表面自由能是如何测量的?

测量技术的一个常见的方法是通过测量接触角的几个标准液体在固体表面的固着水滴的兴趣。万博体育网页版app万博max体育静态接触角(图1)是一万博max体育万博体育网页版app种迹象的液体和固体之间的表面张力平衡(γ_SL),液体和气体(γ_LV)和固体和气体(γ_SV),如所描述的年轻方程[1],

γ_LV因为⁡θ=γ_SV- - - - - -γ_SL(1)

情商的视觉简单。1是具有欺骗性的。首先,假定方程表面光滑均匀,整个系统处于热力学平衡。第二,每一个表面张力可以考虑的和许多不同的组件代表分子间作用力:γ_LV=γ_LV^d+γ_LV^p+γ_LV^h+γ_LV^我+γ_LV^ab+γ^od, p, h,我和ab分别代表了色散,极地,氢键,感应,酸碱相互作用。的γ^o代表了额外的交互。这一概念提出了F.M. Fowkes [2]。

使用Eq。1和测量接触角来确定超临界流体将需要另一个万博max体育万博体育网页版app方程。虽然有许多的方法,最常见的是下面讨论的几个。

延长Fowkes或者OWRK法(几何平均数)

正如上面所讨论的,液体分子在固液界面将经验凝聚力量从它的分子体积,并从分子固体胶部队。由于力量不平衡,有区别的能源所需的分子驻留在这个表面而不是大部分。虽然Fowkes最初只考虑伦敦色散力有助于这个多余的能量[2],欧文斯和比后来也被认为是极性相互作用[3]。使用几何平均方法,这对液体分子能量差可以表示为驻留在表面

ΔE_l=γ_LV√(γ_LV^dγ_SV^d)- - -√(γ_LV^pγ_SV^p)(2)

类似的表达为固体分子的能量差驻留在表面也可以找到。总结这些能量差异对液体和固体分子表面驻留给所需的总能量形成新的表面,

γ_SL=γ_LV+γ_SV- 2√(γ_LV^dγ_SV^d)- - -√(γ_LV^pγ_SV^p),(3)

结合与情商Eq。3。1后,发现OWRK方程:

γ_LV(1 + cos⁡θ)= 2(√(γ_LV^dγ_SV^d)+√(γ_LV^pγ_SV^p))。(4)

方程4用于查找两个未知数,γ_SV^d和γ_SV^p,因此与至少两个液体接万博max体育万博体育网页版app触角测量γ_LV^d和γ_LV^p是必要的。一个液体应该居多的极性液体(例如水或甘油)和一个应该分散(如二碘甲烷)。之后的总表面自由能固液表面γ_SV=γ_SV^d+γ_SV^p。OWRK法是一种较常见的方法来确定固体的表面自由能使用接触角测量。万博体育网页版app万博max体育

吴法(调和平均数)

吴和kj Brzozowski提出互惠或调和平均数与几何平均,声称几何平均方法并不适用于polar-polar系统[4]。在这种情况下,创建新的表面的能量

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)

当结合Eq。1,吴方程

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)

像OWRK法,两种液体-一个极地和一个分散需要测量技术。在实践中,OWRK通常比吴的方法更加准确。

货车Oss-Chaudhury-Good方法(酸碱)

C.J. van Oss,抗议乔杜里,R.J.好开发更先进的方法基于宏观物体间相互吸引的谨言理论[5]。他们建议固体技术包括两个方面:Lifshitz-van的范德华相互作用,γ^LW组成的分散、极地和感应互动;和酸碱相互作用,γ^一个和γ^b,在那里一个表明酸和b表明基地。在这种方法中,超临界流体计算使用

γ_LV(1 + cos⁡θ)= 2(√(γ_LV^LWγ_SV^LW)+√(γ_LV^bγ_SV^一个)+√(γ_LV^一个γ_SV^b))(7)

自从范Oss-Chaudhury-Good方法有三个未知数,γ_SV^LW,γ_SV^一个和γ_SV^b,三个三个液体接万博max体育万博体育网页版app触角测量要求:一个分散液体(如二碘甲烷),和两个极性液体(例如水和甘油)。虽然这种方法有可能提供更深入的洞察表面属性,有时-根似乎也没有收到一个适当的解释,导致大量的反对理论[6]。