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表面张力与表面能

术语 smartsun 3年前 (2021-11-17) 1812次浏览 0个评论

在涂料和油墨技术中界面效应有着至关重要的作用。在很大程度上,界面之间的相互作用主导了生产、储存、应用和涂膜形成整个过程。伴随着界面作用的一个关键性能就是表面张力。本文中,介绍了两类:液体表面张力和固体的表面能,都是用希腊字母γ表示。

1.表面张力

表面张力是分子力的一种表现,它发生在液体和气体接触时的边界部分,是由于表面层的液体分子处于特殊情况决定的。热力学告诉我们,所有的体系,像油漆和油墨,都是趋向于达到一个最有利的相互作用的状态。这也意味着液体的形状取决于其趋向于尽量减少表面的分子数量而增加本体内的分子数量。

表面张力与表面能

液体内部的分子和分子间几乎是紧挨着的,周围都被同样的分子包围着,处于比较低的能态,而在表面的分子是一半裸露在空气中的。这表明在液-空界面上的分子受到较大的力,处于比液体内部分子较高的能态。因此如果需要把分子从液体背部移到表面则需要额外的能量。如图1所示。分子间的相互作用力越大,增加其表面所需要的能量就越大。液体的表面张力γ液气定义为创造1 m²新的液-气表面所需要的能量,单位为J/m²,通常进一步简化为N/m。需要注意的是γ液气下面的两个角标是交界界面的两相的缩写,分别代表的是交界界面处的两相。比如,这个例子中γ液气代表的是液气两相界面处的表面张力。在涂料和油墨中,气相基本都是指的是空气。

表面张力与表面能

高表面张力物质的表面张力,比如水的表面张力(图2 中给出了一些液体在室温下的表面张力)可以通过加入表面活性剂类似结构的物质来降低表面张力,比如润湿剂就是这类中的一种。它们由亲水基及亲油基组成。降低表面张力主要是因为液-气界面上亲水基吸附液相分子,疏水基由液体相指向空气在表面形成连续相。如图3所示。

表面张力与表面能

2.表面能

表面能是固体的一个关键性能,如图4所示,需要涂覆的基材的表面能。它是固-气界面上的一种界面张力,用符号γsg来表示,s代表固相,g代表气相。气相一般指的都是空气。

表面张力与表面能

当一种固体有比较高表面能时,意味着其表面有比较强的相互作用力。这也就不奇怪为什么高的表面能有利于附着力了。有着低表面能的塑料就比较难于涂覆。但是塑料的表面能可以通过表面处理来提高,比如电晕处理和火焰处理等,都可以改善其表面的润湿性和附着力。

3.表面张力的单位

Dyne(达因):物理学中一个力的单位,dyn/cm(达因每厘米)是表面张力的单位。

1 dyne = 1 g·cm/s² = 10−5 kg·m/s²
25 °C的蒸馏水的表面张力为72 dyn/cm ,化为国际单位为72×10−3 N/m 或 72 mN/m。25 °C的蒸馏水的表面张力为72 dyn/cm ,化为国际单位为72×10−3 N/m 或 72 mN/m。

4. 转载

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