第九章 聚合物表面与界面

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1、第9章聚合物表面与界面9.1表界面的定义定义：表界面是由一个相过渡到另一个相的过渡区域。表界面区的结构、能量、组成等都呈现连续的梯度变化。五类表界面：固－气液－气固－液液－液固－固9.2表面张力和表面自由能处于液体表面的分子所受的力场是不平衡的，受到指向液体内部并垂直表面的力，从而产生表面张力(单位N/m)。把液体内部的分子移到表面，要克服分子引力做功，系统增加单位面积所作的可逆功即为表面自由能，简称表面能(单位J/m2)。9.3润湿现象接触角把液体和固体接触后体系吉布斯自由能降低的现象叫润湿。可以用自由能降低的多少来表示

2、润湿程度。9.3.1Young方程和接触角在三相交界处自固-液界面经过液体内部到气-液界面的夹角叫接触角，以θ表示：γsv-γsl=γlvcosθθ=0;cosθ=1完全润湿，液体在固体表面铺展0<θ<90液体可润湿固体，且θ越小，润湿越好90°<θ<180°液体不润湿固体。θ=180完全不润湿，液体在固体表面凝成小球γsl=(γs1/2-γl1/2)／｛1-[0.015(γsγl)1/2]}9.3.2粘附功α-β相的分离如图所示，在这一过程中，外界所做的功Wa为:-∆G=γl+γs-γls=WaWa是将结合在一起的两相分

3、离成独立的两相外界所做的功，称作粘附功。9.4接触角的测定方法停滴法将液滴视作球形的一部分，测出液滴高度h和2r，由简单几何分析求出θ：停滴法测接触角吊片法将表面光滑、均匀的固体薄片垂直插入液体中，如果液体能够润湿此固体，则将沿薄片平面上升。升高值h与接触角θ之间的关系为:吊片法测接触角电子天平法设一根纤维浸在某液体中，纤维的另一端挂在电子天平的测量臂上。用升降装置使液面逐渐下降。纤维经（b）状态脱离液面的瞬间，电子天平测出该变化过程中力的变化∆P，由记录仪记下曲线。电子天平法测接触角电子天平测得的力变化∆P如果液体完全润

4、湿纤维，则：式中r为纤维半径如果液体与纤维之间的接触角为θ，则有：若纤维的半径r和液体表面张力σL已知，则用电子天平法测出∆P后，即可求出接触角θ。9.5表面活性剂表面活性剂分子模型表面活性剂分子由两种不同性质的基团所组成，一种是非极性的亲油基团，另一种是极性的亲水基团。溶质的浓度对溶剂表面张力的影响有三种：1）物质的加入会使溶剂表面张力略微升高，属于此类物质的强电解质有无机盐、酸、碱等。2）物质的加入会使溶剂的表面张力逐渐下降，如低碳醇、羧酸等有机化合物。3）物质少量加入就会使溶剂表面张力急剧下降，但降到一定程度后，就变

5、得很慢或几乎不下降。把能使溶剂表面张力降低的物质称为具有表面活性的物质。像第三类物质那样，加入很少量就能大大降低溶剂的表面张力，使表面呈现活性状态的物质称为表面活性剂。表面活性剂的加入不仅能明显降低表面张力，而且它还具有润湿或反润湿，乳化或破乳，起泡或消泡，及增溶、分散等一系列作用。9.6高分子材料的表界面表面张力与温度的关系表面张力与分子量的关系共聚、共混和添加剂对表面张力的影响无规共聚无规共聚物的表面张力一般符合线性加和规律：γ=γ1X1+γ2X2式中γ为无规共聚物的表面张力，γ1、γ2为组分i的表面张力，Xi则为组分

6、i的摩尔分数.对氧化乙烯-氧化丙烯的无规共聚物实验结果如图所示。氧化乙烯-氧化丙烯共聚物的表面张力A氧化乙烯B氧化丙烯嵌段与接枝共聚对于嵌段共聚物，若A嵌段有高表面能,B嵌段有低表面能，则形成共聚物时，B嵌段优先在表面上吸附，使体系的表面张力明显下降。B嵌段到一定量，表面张力下降到B嵌段均聚物水平。接枝共聚物情况与嵌段共聚物相似，但表面张力减少的程度则轻一些。嵌段共聚物组成对表面张力的影响高韧性PP冲击试样切面的AFM图像共混在均聚物共混中，低表面能的组分在表面上被优先吸附，使体系表面张力下降。氧化乙烯和氧化丙烯均聚物的共

7、混结果所示，随低表面能氧化丙烯均聚物的增加，共混体系的表面能明显下降，而且这种行为随分子量的增加而加剧。氧化乙烯-氧化丙烯共混物的表面张力高聚物表面因表面能低、化学惰性、表面污染及存在弱边界层等原因，往往难以润湿和粘合。因此，常常要对高聚物进行表面处理。表面处理的目的就是改变表面化学组成，增加表面能，改善结晶形态和表面的几何性质，清除杂质或脆弱的边界层等，以提高聚合物表面的润湿性和粘合性等。高聚物表面处理后的表面化学、物理结构发生了变化，表面处理的效果往往由材料使用性能评估。9.7高聚物的表面改性表面物理性能：接触角，

8、表面张力的测试；表面形貌：电子显微镜观察；表面化学组成：ESCA（XPS）；表面处理效果：性能的改进（粘结强度，印刷性、染色性等）。电晕放电处理聚乙烯、聚丙烯等聚烯烃是非极性材料，有高度的结晶性，其表面的印刷、粘接、涂层非常困难。电晕放电因简便易行，处理效果好，是聚烯烃薄膜中最常用的表面处理方法。电晕放