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表面湿润性与亲疏水性的测定

表面湿润性与亲疏水性的测定 邃瞳科学云
2025-07-04
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什么是表面能与表面湿润性

表面能:表面原子比物质内部的原子具有更多的能量,因此,根据能量最低原理,原子会自发的趋于物质内部而不是表面。把大块材料分解成小块材料后,所需要的能量与小块材料表面所增加的能量相等,即表面能增加。新形成的表面需要和其他物质产生吸附,以使得表面能量降低。


表面湿润性:固体表面能越高,液体越有可能润湿该固体表面。


亲疏水性的测定以及什么是亲疏水

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https://doi.org/10.1515/pac-2014-1206


测定静态接触角 θ、前进接触角 θA 和后退接触角 θR 的示意图。在实验中,θ 的测定方法是首先将微注射器中的液滴(5 μL)轻轻沉积在水平的平面固体表面上。

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(a) 静态接触角 θ,(b) 前进接触角 θA 和后退接触角 θR(γLV、γSV 和 γSL 分别为液体-蒸汽、固体-蒸汽和固体-液体界面的表面张力)。


液滴达到静态稳定状态后,液滴的图像由测角仪中的摄像头捕捉。固体-蒸汽、液体-蒸汽和固体-液体界面之间的表面张力平衡所产生的切角就是杨氏接触角,通常称为静态接触角θ。前进和后退接触角(θA 和 θR)由液滴膨胀/收缩法确定。具体来说,θA 是无柄液滴膨胀时测得的角度,例如,通过向无柄液滴连续添加少量液体(0.15 μL/s),液滴从 ∼2 μL 膨胀到 20 μL。后退接触角 θR 是通过从扩大的无柄液滴中抽出少量液体来确定的。


疏水性和亲水性是表面科学中最重要的概念之一。在希腊语中,hydro 表示水,philicity 表示亲和力,phobicity 表示缺乏亲和力。在科学界,研究人员普遍认为,当表面的静态水接触角 θ >90° 时,该表面是疏水的;当 θ <90° 时,该表面是亲水的。目前还没有什么技术上的合理解释,也不清楚为什么当θ从临界点增加 1°时,表面会突然变得疏水。导致这种表面性质变化的机制或分子起源是什么?


事实上,这一定义最近受到了 Gao 和 McCarthy 的质疑,他们将 "特氟龙 "称为 "亲水性",因为它与水有很高的粘附性。其他人也注意到了这一定义的不足。Van Oss建议使用水合自由能(ΔGsl)来衡量亲水性和疏水性。根据对一些化合物水合自由能的分析,他发现当 ΔGsl > -113 mJ/m2 时,疏水性化合物在水中相互吸引;而当 ΔGsl < -113 mJ/m2 时,它们相互排斥。建议将-113 mJ/m2 作为疏水性和亲水性之间的临界值。 


Vogler根据长程疏水相互作用的出现和消失,提出了 θ ∼ 65° 的临界值。这两个定义实际上与水表面亲和力关系不大。相反,临界点显示了表面活性剂分子在水中疏水效应的提高。作者提出了亲水性和疏水性的改进定义。θR<90°的表面对水具有明确的亲和性,因此被定义为亲水性。与水缺乏亲和力的表面为疏水表面,其 θR >90°。作者讨论了疏水性的基本机制。此外,当表面的 θR >90°且 θA ≥145°时,该表面被定义为超疏水性表面。水和超疏水表面之间没有明显的吸引力。

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