佟瞳
摘 要:在當(dāng)前社會中,高分子材料是一種應(yīng)用十分廣泛的材料之一,在各個(gè)領(lǐng)域中都發(fā)揮著非常重要的作用。在高分子材料中,表面能是一個(gè)較為關(guān)鍵的參數(shù),因而在實(shí)際應(yīng)用中可以采用接觸角法對高分子材料的表面能進(jìn)行測量。基于此,本文針對幾種應(yīng)用廣泛的高分子材料,選用一些相應(yīng)的檢測液體,通過實(shí)驗(yàn)的方式研究了接觸角法在測量高分子材料表面能方面的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞:接觸角法;高分子材料;表面能;應(yīng)用研究
在高分子材料中,分子間力的一種主要體現(xiàn)就是表面自由能。在固體或液體表面,不平衡的分子間力會對分子造成影響,因而相比于內(nèi)部分子,其具有一定的附加能量。在表面能中,大體上包含了Lewis酸-堿分量γAB、Lifshitz-vander Waals分量γLw等成分。根據(jù)擴(kuò)展DLVO理論,在兩種物質(zhì)或組分之間,相互作用的總自由能主要有van Oss-Chaudhury-Good界面極性相互作用自由能、Lifshitz-vander Waals相互作用自由能、靜電相互作用自由能等。
1 基本原理
對于固體表面能、液體表面能、固液界面相互作用自由能、固體表面模壓、平衡接觸角等,通過Youngs方程進(jìn)行了描述,具體為γs-π0-γSL=γLcosθ。如果表面能較低可忽略,則方程可更改為γs-γSL=γLcosθ。固體表面能的方
程為,液體表面能的方程為
。通過對液體之間接觸角的測量,就能對固體表面能參數(shù)進(jìn)行獲取。在實(shí)驗(yàn)過程中,通常可以利用二次蒸餾水、甲酰胺、乙二醇、二碘甲烷、甘油等作為檢測液體。
2 實(shí)驗(yàn)過程
在實(shí)驗(yàn)過程中,對于聚合物的表面性質(zhì),采用數(shù)值平板進(jìn)行研究,常用的高分子樹脂平板主要有聚乙烯、聚丙烯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、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。在實(shí)驗(yàn)開始之前,裁剪平板面積到20mm×20mm的尺寸[1]。將保護(hù)膜撕掉之后,按順序在洗衣粉水、自來水、蒸餾水中,分別進(jìn)行10min的超聲波清洗,然后在蒸餾水中進(jìn)行5min的漂洗。漂洗之后,放置到濾紙上,在室溫條件下自然晾干,然后和濾紙共同放入硅膠干燥器中進(jìn)行24h干燥。對固體表面液體的接觸角,采用潤濕角測量儀進(jìn)行測量。在測量過程中,在固體表面3mm處,采用微量進(jìn)樣器將檢測液體進(jìn)行垂直滴加,滴液直徑為1~2mm,體積為3~5uL,保持1min以內(nèi)的測量時(shí)間。座滴接觸角選擇10次測量的平均值,在實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)當(dāng)確保在25℃左右的正常室溫下進(jìn)行。
3 結(jié)果研究
對高分子樹脂材料的表面能參數(shù),采用接觸角測量法能夠進(jìn)行確定。通過公式能夠看出,在對固體表面能參數(shù)進(jìn)行計(jì)算的過程中,采用3中表面能參數(shù)抑制的液體,并且對其在固體表面的接觸角進(jìn)行測量,就能得出最終結(jié)果。在不同的高分子數(shù)值表面,利用5中檢測液體接觸角得到的表面能參數(shù)可以有10組[2]。
通過實(shí)驗(yàn)得知,對于固體表面能的測量,在對接觸角法進(jìn)行應(yīng)用的過程中,在乙二醇、甲酰胺、水、二碘甲烷、甘油等檢測液體中,只需要對任意3中進(jìn)行組合,都能得到基本一致的表面能參數(shù),因此,在對固體表面特征進(jìn)行體現(xiàn)的過程中可以對其平均值進(jìn)行利用[3]。在不同組合的檢測液體中,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-乙二醇等組合中,有一定的幾率出現(xiàn)較大的離差。因此,在實(shí)驗(yàn)的過程中不應(yīng)采用非極性液體、Lewis酸堿中性的液體,與其他極性液體進(jìn)行組合,也不可采用3中Lewis堿進(jìn)行組合實(shí)驗(yàn)。較為理想的檢測液體組合方法是乙二醇、甲酰胺、甘油等極性液體中的一種;非極性二碘甲烷;Lewis酸堿中性的水。采用這三種液體進(jìn)行組合,能得到更為準(zhǔn)確的高分子材料表面能。
接觸角法在測量高分子材料表面能的過程中,能夠取得較好效果的檢測液體組合主要包括水-乙二醇-二碘甲烷、水-甲酰胺-二碘甲烷、水-甘油-二碘甲烷等,對于聚合物的表面特征,都能夠進(jìn)行較良好的體現(xiàn)。根據(jù)高分子材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來看,主要包括非極性高分子材料和極性高分子材料。其中表面能較低的主要是PP、PE等非極性高分子材料[4]。而在PS分子中,只包含非極性的碳?xì)滏I和碳碳鍵,但是由于芳香族苯環(huán)在側(cè)鏈的影響,因而也體現(xiàn)出了極性的表面特點(diǎn),同時(shí)和單極性表面十分相似。在一些其他的高分子材料中,分子當(dāng)中包含氯、氮、氧等電負(fù)性原子,同時(shí)包括羥基、羰基、酯基等極性基以及芳香族非極性基,因此會反映出兩性特征。而在極性高分子材料中,PVC能夠呈現(xiàn)出較為明顯的兩性特征。
4 結(jié)論
作為當(dāng)前社會中一種重要的材料,高分子材料在很多相關(guān)領(lǐng)域中都得到了十分廣泛的應(yīng)用,同時(shí)也發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。在實(shí)際應(yīng)用中,高分子材料表面能作為一項(xiàng)重要的參數(shù),必須進(jìn)行明確。因此,可以采用接觸角法,選用合適的檢測液體組合,對高分子材料表面能進(jìn)行準(zhǔn)確的測量,從而更好地掌握高分子材料的性能和特征。
參考文獻(xiàn)
[1]張貴忠,梁文城,徐建鋒,等.純PETG和PETG/竹粉復(fù)合材料表面等離子體預(yù)處理的研究[J].福建林學(xué)院學(xué)報(bào),2014,(2):176-183.
[2]石強(qiáng),欒世方,金晶,等.通用高分子材料的化學(xué)和生物改性及其血液相容性研究[J].中國材料進(jìn)展,2014,(4):212-223,253.
[3]趙文杰,陳子飛,莫夢婷,等.綠色海洋防污材料的表面構(gòu)筑研究進(jìn)展[J].中國表面工程,2014,(5):14-31.
[4]李楠楠,李國祿,王海斗,等.表面自由能的計(jì)算方法及其對材料表面性能影響機(jī)制的研究現(xiàn)狀[J].材料導(dǎo)報(bào),2015,(11):30-35,40.
(作者單位:湖北工程學(xué)院新技術(shù)學(xué)院)