接觸角, :固體表面能 - 欣創達科技有限公司

表面能為固體與氣體間之界面張力的一般定義,如同液體的表面張力為液體與氣體間之界面張力以 表示,同樣的固-氣間的界面張力以 表示,然而表面能雖然可明確被定義, ... 產品介紹 MD產品總覽 MD軟體特色 Model100P Model100SL Model100SB Model100E Model200 Model300 Model400 自動滴定裝置ADU 自動樣品升降台 樣品旋轉台TSM 溫度控制槽 接觸角測量方法 表面張力測量 表面能計算原理 下載資料 聯絡我們 關於我們 回到首頁 表面能計算原理說明 表面能為固體與氣體間之界面張力的一般定義,如同液體的表面張力為液體與氣體間之界面張力以表示,同樣的固-氣間的界面張力以表示,然而表面能雖然可明確被定義,然而卻無法如液體一樣被直接測量. 由楊氏熱力平衡方程式如下: =+ :固體表面能, :液體表面張力, :固-液間界面張力, :接觸角 上述方程式右邊及可由儀器測量而得,然而尚有兩個未知數,因此無法直接算出表面能,因此表面能並無所謂正確或標準值,只能由一些模型中提供另一組方程式以便求出 ,這些模型皆有假設條件,因此所算出的結果只能算是表面能近似值. 目前常用的模型如下: ZismanPlot(critical wettingtension) Fowkes Owens-Wendt-Rabel-Kaelble (OWRK) ExtendedFowkes Wuharmonicmean Equation-of-state Lewisacid/base theory 使用上述方法各別計算,可能得到之結果彼此有高達25%的差異,然而每種方法皆有其適用的表面固體,然而卻無所謂正確或標準值,雖然如此,表面能仍具有原理的基礎性,可如液體表面張力般具備客觀性,同時對於一般所適用的模式,其誤差還是在可接受的範圍內. 臨界表面張力- Zisman Plot 由楊氏熱力平衡方程式如下: =+ 其中: :接觸角,:固體表面能, :液體表面張力, :固-液間界面張力 適用:表面能< 100mN/m(低能表面)的固體表面,液滴在表面形成的接觸角主要是液體表面張力的函數,對於給定的固體表面和同系列的相關液體(如烷? 二烷基脂和烷基鹵化物),與有近似線性關係.對於非極性液體,關係十分相符,然對於高表面張力的極性液體,關係並不十分符合,直線開始彎曲. 從對的曲線中,在=1時,可以得到固體的表面張力,稱為潤濕臨界表面張力,它的定義是指液體剛好鋪展到固體表面產生完全潤濕時的表面張力,即時,液體將鋪展,當時,液體將形成液滴,具有非零接觸角.   Fowkes方法 假定:液體及固體表面張力可分為色散力和極性作用力,若固液兩相中有一相是非極性,則固液之間只有色散力相互作用,無極性作用力: ;無極性作用力,則Ip =0. 即 或 式中和分別表示固體和液體表面張力的色散力部份. 根據(1.4),對作圖得一直線,其斜率為, 從直線斜率可得到固體的值. 對於非極性固體,, 故用Fowkes方法,可得到非極性固體的表面能. 對於非極性液體,也有, 根據(1-4)式,可得出下式: 當時,用Zisman方法得到的非極性固體臨界表面張力可表徵其固體的表面能.   Owens-Wendt-Rabel-Kaelble (OWRK)Method 假定: 分子色散力(disperse)和極性力(polar)為各自獨立作用且合力可加總 測試液體數量:n >=2   Extended FowkesMethod 假定: 分子色散力(disperse),極性力(polar)及氫鍵力(hydrogen-bond)為各自獨立作用且合力可加總 測試液體數量:n >=3   Wu (harmonicmean)方法 1.使用倒數平均法計算不同分子間的作用力 2.不僅考慮色散力,也同時考慮分子間極性作用力的影響. 得到下列公式: 式中表示表面張力的極性影響力, 和分別表式固體表面能和液體的表面張力,故只要測兩種或兩種以上極性不同的液體在固體表面的接觸角,解聯立方程式,即可得出固體表面能和值.   Equation-of-State (Neumann) 假定:固體,液體表面張力和固液界面張力間存在某種關係,且表面張力及界面張力並非各種作用力之加總結果 [1] [2] Young’sEq.:In combinationwithEq. [2],thefollowing equation-of-state wasderived: [3] Thevalueofis determinedusingthe Newton'sroutinefrom Eq.[3]. 測試液體數量:n =1 Acid-Base method 假定固體表面自由能藉由三大項所組成：非極性項(分散力項)、路義士酸(Lewis acid)項、。

路義士酸鹼對(Lewis acid-base)交互作用，意指電子排斥者與電子接納者間的交互作用，前者大部分系統由於氫鍵所造成。

(i.e. GoodandGirifalcoequation) ……………………………… (1) 其中為非極性項，理夫緒茲-凡德瓦爾力(Lifshitz-van derWaals)，為電子接受者，而為電子排斥者間的作用力。

方程式(1)若為固體與液體間的表面自由能交互作用力則可表示成： (i.e.vanOssetal. approach) ………………………(2) 然而，利用Young’sequation ： …………………………………………………………(3) 和黏著濕潤之自由能按照Dupre’equation ： ……………………………………………………………(4) 將(2)式、(3)式和(4)式結合可得： ……………(5) 其中為接觸角，而為液體在固體表面的黏著功。

方程式(5)可以利用最少三種測試液體(表面張力各組成項為已知)來測量接觸角，而求得固體表面自由能。

而利用已知的測試液體表面張力求方程式(5)中的固體表面自由能中的三大組成項(非極性項、路義士酸項和路義士鹼項)。

解三個方程式(5)的同時，假設固體表面自由能的組成不會隨著使用不同測試液體測量而改變。

另外，三種測試液中必須一者為非極性溶劑(可使用二碘甲烷)，用以求非極性項()；另一者為具有強極性溶劑(可使用乙二醇)，另外再利用兼具極性與非極性的溶劑(可使用水)，用以求極性項(、)，方能符合經驗式的計算。

氫鍵為分子間作用力最常見的形式，會構成兩相間吸附與界面張力的自由能-鹼對，氫鍵能用Lewis酸-鹼理論完全描述，酸為電子接受者，鹼為電子提供者. VanOssandGood研究非極性液體及氫鍵液體對固體潤濕行為. 若固液體皆為極性;則 若固液體其中之一為極性;則 : 理夫緒茲-凡德瓦爾力(Lifshitz-van derWaals) : 路義士酸(Lewisacid)項 : 路義士鹼(Lewisbase)項 常用於表面能測量之液體須有足夠的表面張力，以避免完全鋪展於樣品表面，同時要有較高沸點及使用之安全性考量，故一般可選擇下列幾種液體: Table 1典型測試液體 液體 (表面張力) LW AB A B Water 純水 72.8 21.8 51 25.5 25.5 Glycerol 甘油 64 34 30 3.92 57.4 Formamide 甲醯胺 58 39 19 2.28 39.6 Methylene Iodide 二碘甲烷(非極性) 50.8 50.8 0 0 0 Ethylene Glycol 乙二醇 48 29 19 1.92 47 註:內部分子力可區分為兩大項,常用表示名稱如下: LW=Liftshitz-van derWaals理夫緒茲-凡德瓦爾力 London倫敦力 non-polar非極性力 dispersiveforces 色散力 AB=(Lewis)acid/base (路易士)酸/鹼對 polarforces極性力 表面能計算公式適用表: Method Information Min. no.ofliquids Application Examples Zisman Critical surfacetension 2 Non-polar solids PE, PTFE,waxes Fowkes Disperse partsofsurface freeenergy 2, non-polarliquids Non-polar system PE, PTFE,waxes OWRK Disperse andpolar?parts ofsurfacefree energy 2 universal Polymers, aluminum,coating, vanishes Extended Fowkes Disperse, polarandhydrogen partsofsurface freeenergy 3 Specific questionsofsurface properties Plasma, orcoronatreated polymers Wu (HarmonikMean ) Disperse andpolar?parts ofsurfacefree energy 2, atleastonepolar liquid Low energeticsystems Organic solutions,polymers, organicpigments Acid-Base Theory Disperse, acidandbase partsofsurface freeenergy 3 Specific questionsofsurface properties Biological system Equation ofStateTheory surface freeenergy 1 universal Polymers, aluminum,coating, vanishes WorkofAdhesionof liquidtosolid WorkofCohesionof liquidtoitself SpreadingCoefficient Wettingtensionofliquid tosolid   2009 SindatekInstrumentsCo.,Ltd.  AllRightsReserved.