实验十　低能固体表面的润湿临界表面张力

一、实验目的

1.了解低能固体表面润湿临界表面张力的意义。

2.用Zisman方法测定石蜡、聚乙烯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等聚合物固体表面的润湿临界表面张力。

二、实验原理

自润湿热力学方程可知，固体的表面自由能越大，则越易于被液体所润湿。固体的表面自由能至今仍难以直接精确测定，一般只能知道一大致的范围。已知，一般液体（除汞外）的表面张力均在100mN·m-1以下，故常以此值为边界，将固体表面分为两类。固体表面张力大于100mN·m-1的称为高能表面，一般金属及其氧化物、硫化物、无机盐皆属此类；固体表面张力低于100mN·m-1的称为低能表面，比如有机固体和聚合物固体表面。

近几十年来，高聚物在生产和生活中得到广泛应用，因而促进了对低能固体表面润湿作用的研究。Zisman等人发现，同系有机液体在同一低能固体表面上的接触角θ随液体表面张力的降低而变小，且cosθ与液体表面张力γL作图可得一直线，该直线外延至cosθ=1之处，所对应的表面张力称为此低能固体表面的润湿临界表面张力，以γc表示。若采用非同系有机液体，cosθ与γL之间也常常呈直线或一窄带（图1）。将此窄带延至cosθ=1处，相应的γL的下限即为γc。临界表面张力的意义是，凡表面张力小于γc的液体皆能在此固体表面上自行铺展，而表面张力大于γc的液体不能自行铺展；γc值越大，在此固体表面上能自行铺展的液体越多，其润湿性质越好。因此，γc是表征低能固体表面可被润湿性质的经验参数。

实验结果表明，高聚物固体的润湿性质与其分子的元素组成有关。各种元素原子的加入对润湿性的影响有如下次序：

F<H<Cl<Br<I<O<N

且同一元素的原子取代越多，效果越明显。实验结果还表明，决定固体表面润湿性质的只是固体表面层原子或原子团的性质及排列状况，而与体相结构无关。换言之，只要能改变固体表面性质就可改变其润湿性质。

三、实验仪器和试剂

接触角测量仪，吊环法表面张力测定仪；微量注射器，镊子，玻璃载片，烧杯，坩埚，容量瓶，表面皿；石蜡，聚乙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯薄片；正壬烷，正癸烷，正十二烷，正十四烷，正十六烷；甲基苯，乙基苯，丙基苯，丁基苯，己基苯；丁醇，己醇，辛醇，乙二醇，苯甲醇。

四、实验步骤

1.平滑石蜡表面的制备

将玻璃载片洗干净并晾干后浸入熔融石蜡中，用镊子夹住一角取出，挖去多余石蜡，待表面上的石蜡凝固后备用。

2.有机固体表面的清洗和干燥

将聚乙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯片或膜（表面必须平整）先用中性洗涤剂清洗，再用大量水和重蒸水冲洗，晾干备用。各固体样品最好置于保干器中，随用随取，切忌用手或其他可能引起表面污染的物体触动样品表面。

3.有机液体表面张力的测定

室温条件下，用环法表面张力测定仪测定烷烃系列（正壬烷，正癸烷，正十二烷，正十四烷，正十六烷）、烷基苯系列（甲基苯，乙基苯，丙基苯，丁基苯，己基苯）、醇类系列（丁醇，己醇，辛醇，乙二醇，苯甲醇）各有机液体的表面张力。应当注意的是，更换有机液体时所用盛液体的表面皿及铂环必须彻底清洗干净。铂环在洗净后浸于丙酮中，再用煤气灯烧红以除去残存的有机物。

4.有机液体在固体表面的接触角测定

用接触角测量仪测定各系列有机液体在石蜡、聚乙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯表面上的接触角，每种液体的接触角都需重复多次取平均值。

五、数据记录与处理

1.按下表列出所得数据。

2.作各体系的cosθ-γL图，并外推到cosθ=1处，求出各低能固体表面的润湿临界表面张力γc值。

六、思考题

1.比较各固体的γc值，讨论所得结果。

2.本项目实验过程中哪些因素可以产生测量误差？

3.依据第2题所列举的任一误差来源，简介避免误差的有效措施。

七、参考文献

［1］北京大学化学系胶体化学教研室.胶体与界面化学实验.北京：北京大学出版社，1993.