高能表面表面能的实验测定

高能表面表面能的实验测定

表面能是描述固体表面性质的重要参数，它不仅影响物质的吸附性能，还与材料的生物相容性、分散性、粘附性和摩擦行为密切相关。然而，对于高能表面的表面能测定，目前仍缺乏一种简单、可靠且通用的测量方法。本文将综述现有的固体表面能实验测定方法，并探讨其面临的挑战。

表面能在外部影响固体表面的吸附，这对于提高医疗器械的生物相容性至关重要。表面自由能的实验测定对工程应用具有重要意义。然而，目前还没有一种通用、可靠、方便的测量手段来实现高能表面固体表面能的实验测定。Zhu[1]等人综述了现有的固体表面能实验测定方法，包括间接法和直接法。

在间接方法中：多相平衡技术和晶体平衡形状测定方法需要明确的界面键合特性；临界表面能技术不满足Zisman关于固液界面张力为零(或接近于零)的假设，经验方程拟合的参数不能具有确定的物理意义；基于液态表面张力的推导只能得到熔点附近固相的表面能，仅限于对元素金属表面能的预测。

在直接测定方法中，除零蠕变法外，均基于广义测定技术。所有确定的结果都受到颗粒(颗粒)尺寸的准确性、尺度效应、大气等的强烈影响。这导致无论采用何种测定方法，误差仍然很大，难以实现数据的均匀性。所有的方法都在一定程度上依赖于特定的假设或理论模型。

表面能知识对于基础研究人员和工程应用工程师都具有重要的理论意义和应用价值。表面能的大小反映了固体内部结合力的大小。同时，表面能在外部影响固体表面的吸附，这对于提高医疗器械的生物相容性至关重要。表面能同样影响胶体的分散、粘附和摩擦行为。基于表面现象的更深层次的理解甚至主导了制造工艺，如集成电路中微纳米结构的制备，光学器件中晶体生长和形态的控制，金属基复合材料的制备。

新表面的形成必然伴随着系统能量的变化，Gibbs在1961年将其定义为形成附加表面所需的功。固体表面能(或表面应力)不同于液体表面张力。前者通常是一个矢量，表示一个新表面的形成或消失；后者通常是一个标量，表示从液体表面指向液体内部的力。

图1 a)零蠕变法实验装置示意图；(b)试样加载系统。[1]

一般具有高内聚能的固体(金属、陶瓷、玻璃等)通常具有高表面能的表面，这些物质的组成通常以化学键(共价键、离子键、金属键)为主。由于要求固体的表面张力必须等于或略大于液体的表面张力，用接触角测量固体表面张力几乎是不可能的。

图2 球形液滴(虚线)，立方结构固体金属单晶颗粒平衡形状(实线)。[1]

令人惊讶的是，尽管技术发展，但在高能表面表面能的实验测定方面没有取得重大进展。目前还没有一种简单、可靠、通用的方法。根据材料的性质和特点，仍然采用不同的技术。除零蠕变法外，大多数直接测定方法都是基于广义测定技术实现的。测定结果受粒度测量精度和环境污染的影响较大，无论采用何种测量方法，测定误差仍然较大，难以实现数据的均匀性。一般来说，所有的方法都在一定程度上依赖于特定的假设或理论模型。在未来的研究工作中，探索通用、可靠、方便的测量方法仍将是一个挑战。

[1] Zhu S, Xie K, Lin Q, Cao R, Qiu F. Experimental determination of surface energy for high-energy surface: A review. Advances in Colloid and Interface Science. 2023;315:102905.