表面自由能是物體表面分子間作用力的體現，與固體表面的潤濕性能密切相關，在表面化學中具有重要的地位。一方面，液體在固體表面的潤濕性能在生命科學、表面化學、醫藥、印染等領域中有著重要作用。另一方面，現代裝備的防垢、自潤滑性、釺焊性能等能也與固體表面的自由能值密切相關。
基本介紹
- 中文名：表面自由能
- 外文名：Surface free energy
- 學科：冶金工程
- 領域：冶煉
- 釋義：物體表面分子間作用力的體現
- 領域：生命科學、表面化學、醫藥等
定義,理論背景,測量方法,量角法,長度法,測力法,透過法,計算方法,總結,
定義
表面自由能是物體表面分子間作用力的體現，與固體表面的潤濕性能密切相關，在表面化學中具有重要的地位。一方面，液體在固體表面的潤濕性能在生命科學、表面化學、醫藥、印染等領域中有著重要作用。另一方面，現代裝備的防垢、自潤滑性、釺焊性能等能也與固體表面的自由能值密切相關。
在通過接觸角計算表面自由能的過程中，由於選用的計算方法所依據的理論存在局限性，難以準確獲得表面能值。目前，測量表面自由能時需要藉助投影、攝像等技術，由於儀器解析度、擬合輪廓等原因，使測量結果存在不確定度。同時，接觸角滯後等諸如此類的原因，都將導致接觸角的測量結果存在偏差。
理論背景
通常表面自由能值是通過對接觸角進行測量，藉助關係方程求解得出。接觸角的定義，是在水平放置的均勻平整的固體表面上滴一滴液滴，當液滴達到穩定形態。過固、液、氣三相相交點作液氣界面的切線，與固液界面的夾角。
測量方法
量角法
量角法包括：切線法、斜板法和光點反射法。切線法最為常用，這種方法是通過照相等技術，得到液滴的圖像檔案，直接測量出接觸角的值。該方法測量較為直接，但要人為作液氣界面的切線，對人員操作要求嚴格，難以得到接觸角的精確值。量角法將來的發展要能夠滿足高測量精度，這需要依靠相關軟體技術的套用和發展。目前，德國KRUSS 視頻光學接觸角儀DSA100 就是通過其自身所帶的DSA1 軟體對液滴放大後取像， 經軟體調整後進行測量。
長度法
長度法是測量與接觸角相關的幾何尺寸長度。常用的長度測量法有以下幾種。
（1）小球冠法
小球冠法又稱半球法、量高法，是用細針頭將液滴滴在平整均勻的固體表面上，保持表面水平。液滴的體積較小時可視為理想的球冠形態，並忽略重力影響，通過測量，可得出接觸角的值。這種方法要求被測表面平整均勻， 測量接觸角的範圍在0～180°。該方法得出的接觸角值比量角法更為精確。
（2）液餅法
將液滴不斷地滴在固體表面， 形成一個液餅。繼續增加液體的量時， 液餅的高度會到達最大值。
（3）垂片法
取薄板狀的待測材料，尺寸2×5 cm2。將薄板材料豎直懸掛在液體中。液體由於毛細作用會沿薄板邊緣向上爬升。
該方法測量的是液體爬升高度，對被測表面的平整度沒有要求。
測力法
測力法由Wilhemly 在1986 年首次提出，又稱Wilhemly 法。是將固體薄板水平放置，緩慢向下移動。當選用薄板的下表面與液體表面完全接觸時，測量液體介質對薄板的作用力的大小。
透過法
透過法分為透過速度法和高度法，透過速度法更為常用。透過法的具體操作是將粉末裝入管狀柱體中形成粉末柱體, 顆粒間會存在空隙，這些間隙可以看作是一束毛細管。液體因毛細作用在管內爬升。
計算方法
由於表層分子受到指向內部力的作用，使表層分子具有勢能。當外界條件不變時，表面能的值等於所有表層分子勢能之和。表面能計算方法的發展經歷了不同階段：
Foukes 法
1962 年，Foukes 認為表面能分為2 個部分，由分子間倫敦力作用引起的分散部分和非倫敦力作用引起的極性部分。儘管如此，Foukes 法仍為其他計算方法的出現奠定了基礎。
Owens and Wendt 法
1969 年Owens and Wendt 在Foukes 法的基礎上進行了擴展，考慮了極性部分。酸鹼作用是由於化合物中存在的多種元素對電子的親和性不同，使分子中電荷分布不對稱引起的。
該方法計算表面自由能時，需要測量3 種液體介質與被測固體表面的接觸角值。要求選用的3 種液體的各特性參數能夠求解未知量。
總結
接觸角測量的方法和技術仍需不斷完善，表面自由能計算理論也存在局限性，難以通過測量得到表面自由能的真實值。所以要結合所選的液體介質的特性，合理選擇接觸角測量方法和表面自由能計算方法，儘可能準確地獲取表面自由能的值。實際中具體操作時，接觸角測量方法及表面自由能計算方法要結合所選用液體介質的特性，根據實際工況需要，發揮各自的特點。今後，表面自由能值高精度的實現，要依賴接觸角測量方法和表面自由能計算理論的進一步完善。
