對于粉體材料而言，尤其是超細(xì)粉體，隨著顆粒粒徑的減小，其比表面積急劇增加，導(dǎo)致表面能顯著升高。為了趨于穩(wěn)定，高表面能的顆粒會通過相互聚集來降低總能量，這是引起粉體團(tuán)聚的重要原因之一。因此，研究粉體表面能并探尋其降低方法，對改善粉體分散性、流動性、潤濕性及粘附性等關(guān)鍵性質(zhì)具有重要意義。

一、表面能的定義

從微觀角度看，物體內(nèi)部的分子受到周圍分子的均衡作用力，而表面分子則因一側(cè)作用力的缺失，處于能量較高的不穩(wěn)定狀態(tài)。從定義來看，表面能即是：把一個(gè)固體材料分解成小塊，破壞其內(nèi)部化學(xué)鍵需要消耗的能量。

從熱力學(xué)角度定義，表面能（Γ）是在恒溫、恒壓和恒定組成的條件下，增加單位表面積（A）時(shí)體系吉布斯自由能（G）的增量，其表達(dá)式為：

二、粉體表面能的主要測試方法

粉體表面能常用的測試方法是IGC-反氣相色譜法和接觸角法。

1、IGC-反氣相色譜法

反氣相色譜法是一種氣固技術(shù)，用于表征固體材料的表面和體相特性。由于其可靠性和精度，IGC已成為實(shí)驗(yàn)室顆粒材料表面能表征的首選方法。

原理：將待測粉體作為固定相填充于色譜柱中，以一系列已知性質(zhì)的揮發(fā)性探針分子（非極性與極性）注入載氣。通過精確測量探針分子在粉體柱中的保留時(shí)間或保留體積，可以分析探針分子與粉體表面的相互作用，進(jìn)而計(jì)算出粉體的表面能及其分量。其保留體積和保留時(shí)間的關(guān)系如式所示：

其中，t_r為探針分子保留時(shí)間（min）；t₀為參照氣體（甲烷）保留時(shí)間（min）；F為載氣流速(mL/ min)；m為樣品填充質(zhì)量（g）；C為校正因子；J為非理想氣體性質(zhì)進(jìn)行壓縮的校正因子。

表面能分析儀（iGC-SEA）技術(shù)原理

特點(diǎn)：

·高精度與豐富信息：不僅能提供總表面能，還能解析出色散分量和極性分量，并可獲得表面能分布、吸附熱等信息。

·樣品適用性廣：適用于粉末、顆粒、纖維等多種形態(tài)的樣品。

·可靠性高：自動化程度高，數(shù)據(jù)重復(fù)性好。

2、接觸角法

對液體在固體表面上的接觸角進(jìn)行測量，借助關(guān)系方程求解得出表面能。當(dāng)液滴在固液、固氣、液氣界面張力作用下達(dá)到平衡時(shí)，固、液、氣三相相交點(diǎn)受到的平衡力服從Young方程：

接觸角示意圖

常用的接觸角測定方法有角度測量法、透過法、長度測量法和力測量法等。 一些研究者試圖將粉體壓制成平整的片材，在片材表面測量液體的靜態(tài)接觸角。但粉體壓片后表面微觀形貌粗糙，測試得到的接觸角結(jié)果不準(zhǔn)確，不適合用于計(jì)算表面自由能。僅透過法可用于粉體表面的接觸角測定，其中最常用的是毛細(xì)滲透法、薄層毛細(xì)滲透法。

（1）毛細(xì)滲透法

原理：固態(tài)顆粒間存在具有顯著的毛細(xì)作用的空隙，潤濕性液體一旦接觸粉體即能自發(fā)滲透進(jìn)粉體內(nèi)部(毛細(xì)上升效應(yīng))。

毛細(xì)滲透法示意圖

基于Washburn方程，通過測量液體在垂直填充的粉體柱中毛細(xì)上升的速度來計(jì)算液體與粉體的接觸角。

·優(yōu)點(diǎn)：更接近粉體的實(shí)際堆積狀態(tài)，技術(shù)相對成熟。

·缺點(diǎn)：粉末柱的等效毛細(xì)管半徑與粒子大小、形狀及填裝緊密度密切相關(guān)，每次裝填的緊密程度對結(jié)果影響較大；液體的重力相對于毛細(xì)效應(yīng)不能忽略時(shí)，也將影響接觸角測定。

（2）薄層毛細(xì)滲透法

是毛細(xì)滲透法的變體，將粉體制成一個(gè)多孔性薄層，在特定裝置上使液體沿水平方向穿透薄層，通過測定一定時(shí)間內(nèi)液體前進(jìn)的距離應(yīng)用Washburn方程求出接觸角。薄層毛細(xì)滲透技術(shù)比想象的要復(fù)雜，用這一技術(shù)測定粉體表面的接觸角或固體表面能的成分仍存在爭議。

薄層毛細(xì)滲透裝置示意圖

反氣相色譜法與接觸角法對比

三、表面能在粉體表征中的應(yīng)用場景

1. 評價(jià)與優(yōu)化表面改性效果

這是表面能測試最直接的應(yīng)用之一。通過對比表面改性前后粉體表面能的變化，可以直觀、定量地評價(jià)改性劑的功效和改性工藝的成功與否。表面能的降低通常意味著粉體由親水性向疏水性轉(zhuǎn)變，這對于其在有機(jī)體系中的應(yīng)用至關(guān)重要。

2. 預(yù)測與優(yōu)化在復(fù)合材料中的分散性

粉體在復(fù)合材料基體（如樹脂、塑料）中的分散均勻性，直接決定復(fù)合材料的最終力學(xué)、電學(xué)等性能。表面能是決定分散性的關(guān)鍵因素。通過測量粉體與基體的表面能，可以預(yù)測二者的相容性，并據(jù)此指導(dǎo)選擇或設(shè)計(jì)表面改性劑，以優(yōu)化界面相容性和分散穩(wěn)定性。

3. 調(diào)控潤濕性與粘附性

表面能直接決定了液體對粉體的潤濕性（接觸角）和粉體與其他材料的粘附能力。在涂料、油墨、化妝品和農(nóng)藥制劑等領(lǐng)域，通過表面改性調(diào)控粉體的表面能，可以優(yōu)化其與液體的混合效果，防止結(jié)塊，并增強(qiáng)與基材的結(jié)合強(qiáng)度。

結(jié)語

表面能是表征粉體表面性質(zhì)的關(guān)鍵物理化學(xué)參數(shù)，在材料科學(xué)、制劑開發(fā)和工業(yè)生產(chǎn)中扮演著至關(guān)重要的角色。隨著表征技術(shù)的不斷進(jìn)步，對粉體表面能的深入研究將在更精細(xì)的尺度上實(shí)現(xiàn)對粉體性能的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)與調(diào)控，推動新材料與新技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展。

參考資料：

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[3] 儲鴻.薄板毛細(xì)滲透技術(shù)表征表面改性導(dǎo)致的粉體表面能及其各成分的變化[D].江南大學(xué),2005.

[4] 《表面能分析儀原理介紹》，高性能碳纖維檢測評價(jià)中心

[5] 《終于有人說清楚高分子材料“表面能”了！》Polymer偵探社

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