接触角法在测量高分子材料表面能方面的应用研究

佟瞳

摘 要：在当前社会中，高分子材料是一种应用十分广泛的材料之一，在各个领域中都发挥着非常重要的作用。在高分子材料中，表面能是一个较为关键的参数，因而在实际应用中可以采用接触角法对高分子材料的表面能进行测量。基于此，本文针对几种应用广泛的高分子材料，选用一些相应的检测液体，通过实验的方式研究了接触角法在测量高分子材料表面能方面的应用。

关键词：接触角法；高分子材料；表面能；应用研究

在高分子材料中，分子间力的一种主要体现就是表面自由能。在固体或液体表面，不平衡的分子间力会对分子造成影响，因而相比于内部分子，其具有一定的附加能量。在表面能中，大体上包含了Lewis酸-碱分量γAB、Lifshitz-vander Waals分量γLw等成分。根据扩展DLVO理论，在两种物质或组分之间，相互作用的总自由能主要有van Oss-Chaudhury-Good界面极性相互作用自由能、Lifshitz-vander Waals相互作用自由能、静电相互作用自由能等。

1 基本原理

对于固体表面能、液体表面能、固液界面相互作用自由能、固体表面模压、平衡接触角等，通过Youngs方程进行了描述，具体为γs-π0-γSL=γLcosθ。如果表面能较低可忽略，则方程可更改为γs-γSL=γLcosθ。固体表面能的方

程为，液体表面能的方程为

。通过对液体之间接触角的测量，就能对固体表面能参数进行获取。在实验过程中，通常可以利用二次蒸馏水、甲酰胺、乙二醇、二碘甲烷、甘油等作为检测液体。

2 实验过程

在实验过程中，对于聚合物的表面性质，采用数值平板进行研究，常用的高分子树脂平板主要有聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、丙烯腈/丁二烯/苯乙烯共聚物、聚苯乙烯、聚氯乙烯等。在实验开始之前，裁剪平板面积到20mm×20mm的尺寸[1]。将保护膜撕掉之后，按顺序在洗衣粉水、自来水、蒸馏水中，分别进行10min的超声波清洗，然后在蒸馏水中进行5min的漂洗。漂洗之后，放置到滤纸上，在室温条件下自然晾干，然后和滤纸共同放入硅胶干燥器中进行24h干燥。对固体表面液体的接触角，采用润湿角测量仪进行测量。在测量过程中，在固体表面3mm处，采用微量进样器将检测液体进行垂直滴加，滴液直径为1～2mm，体积为3～5uL，保持1min以内的测量时间。座滴接触角选择10次测量的平均值，在实验过程中应当确保在25℃左右的正常室温下进行。

3 结果研究

对高分子树脂材料的表面能参数，采用接触角测量法能够进行确定。通过公式能够看出，在对固体表面能参数进行计算的过程中，采用3中表面能参数抑制的液体，并且对其在固体表面的接触角进行测量，就能得出最终结果。在不同的高分子数值表面，利用5中检测液体接触角得到的表面能参数可以有10组[2]。

通过实验得知，对于固体表面能的测量，在对接触角法进行应用的过程中，在乙二醇、甲酰胺、水、二碘甲烷、甘油等检测液体中，只需要对任意3中进行组合，都能得到基本一致的表面能参数，因此，在对固体表面特征进行体现的过程中可以对其平均值进行利用[3]。在不同组合的检测液体中，在水-甘油-甲酰胺、甘油-甲酰胺-乙二醇、水-甲酰胺-乙二醇、甲酰胺-二碘甲烷-乙二醇、甘油-甲酰胺-二碘甲烷、水-甘油-乙二醇等组合中，有一定的几率出现较大的离差。因此，在实验的过程中不应采用非极性液体、Lewis酸碱中性的液体，与其他极性液体进行组合，也不可采用3中Lewis碱进行组合实验。较为理想的检测液体组合方法是乙二醇、甲酰胺、甘油等极性液体中的一种；非极性二碘甲烷；Lewis酸碱中性的水。采用这三种液体进行组合，能得到更为准确的高分子材料表面能。

接触角法在测量高分子材料表面能的过程中，能够取得较好效果的检测液体组合主要包括水-乙二醇-二碘甲烷、水-甲酰胺-二碘甲烷、水-甘油-二碘甲烷等，对于聚合物的表面特征，都能够进行较良好的体现。根据高分子材料的结构特点来看，主要包括非极性高分子材料和极性高分子材料。其中表面能较低的主要是PP、PE等非极性高分子材料[4]。而在PS分子中，只包含非极性的碳氢键和碳碳键，但是由于芳香族苯环在侧链的影响，因而也体现出了极性的表面特点，同时和单极性表面十分相似。在一些其他的高分子材料中，分子当中包含氯、氮、氧等电负性原子，同时包括羟基、羰基、酯基等极性基以及芳香族非极性基，因此会反映出两性特征。而在极性高分子材料中，PVC能够呈现出较为明显的两性特征。

4 结论

作为当前社会中一种重要的材料，高分子材料在很多相关领域中都得到了十分广泛的应用，同时也发挥了至关重要的作用。在实际应用中，高分子材料表面能作为一项重要的参数，必须进行明确。因此，可以采用接触角法，选用合适的检测液体组合，对高分子材料表面能进行准确的测量，从而更好地掌握高分子材料的性能和特征。

参考文献

[1]张贵忠，梁文城，徐建锋，等.纯PETG和PETG/竹粉复合材料表面等离子体预处理的研究[J].福建林学院学报，2014，（2）：176-183.

[2]石强，栾世方，金晶，等.通用高分子材料的化学和生物改性及其血液相容性研究[J].中国材料进展，2014，（4）：212-223，253.

[3]赵文杰，陈子飞，莫梦婷，等.绿色海洋防污材料的表面构筑研究进展[J].中国表面工程，2014，（5）：14-31.

[4]李楠楠，李国禄，王海斗，等.表面自由能的计算方法及其对材料表面性能影响机制的研究现状[J].材料导报，2015，（11）：30-35，40.

（作者单位：湖北工程学院新技术学院）