材料表界面期末复习.doc

一、 绪论
二、
1、 表界面的定义及其种类。
定义；表界面是由一个相过渡到另一个相的过渡区域。若其中一相为气体，这种界面通常称为表面。
种类:表界面通常有五类：气-液界面（表面），气-固界面（表面），液-液界面，液-固界面，固-固界面。
二、 液体表面
1、 表面张力定义及表面自由能定义
答：表面张力是单位长度上的作用力，单位是N/m。
表面张力也可以理解为系统增加单位面积时所需做的可逆功，单位为J/m2，是功的单位或能的单位。所以σ也可以理解为表面自由能，简称表面能。

表界面张力的热力学定义为：

由于经常在恒温、恒压下研究表面性能，故常用下式表示：

由能量守恒定律，外界所消耗的功存储于表面，成为表面分子所具有的一种额外的势能，也称为表面能。
广义表面自由能的定义：保持相应的特征变量不变，每增加单位表面积时，相应热力学函数的增值。狭义的表面自由能定义：保持温度、压力和组成不变，每增加单位表面积时，Gibbs自由能的增加值称为表面Gibbs自由能，或简称表面自由能或表面能，用符号σ表示，单位为J·m-2。（1J·m-2=1 N· m · m-2=1 N·m-1）

σ的物理意义——（1）表面自由能（2）表面张力
由于分子在体相内部与界面上所处的环境是不同的，产生了净吸力。而净吸力会在界面各处产生一种张力。把作用于单位边界线上的这种力称为表面张力，用 σ表示.
2、计算：
A、例：20℃时汞的表面张力为4.85×10-1 Jm-2，求在此温度及101.325 kPa 的压力下，将半径1mm的汞滴分散成半径10-5 mm的微小汞滴，至少需要消耗多少功？
解：σ＝4.85×10-1 Jm-2
r1=1mm, r2=10－5 mm

B、试求25℃，质量m＝1g的水形成一个球形水滴时的表面能E1。若将该水滴分散成直径2nm的微小水滴，其总表面能E2又是多少？（已知25℃时水的比表面自由焓Gs为72×10-3 J*m-2)
解：设1g水滴的体积为V，半径为r1，表面积为A1，密度为ρ,则：

（2）若分散成r2＝1nm的水滴N个

3、 Laplace方程表达式

就是Laplace方程，是表面化学的基本定律之一。
注释：（1）若：r1＝r2＝r，则曲面为球面，回到（2－15）式；（2）若：r1＝r2＝无穷大，则液面为平面，压差为0。
4、 表面张力的几种测定方法。
（1）毛细管法 （2)最大气泡压力法 (3)滴重法 (4)吊环法
5、Kelvin公式 及其计算

25℃时，水的饱和蒸气压为3.168kPa，求该温度下比表面积为106 m2 *kg-1时球形水滴的蒸气压（水在25℃时的表面张力为71.97×10-3 N*m-1).
解：先求水滴半径： 代入Kelvin公式：

6、Gibbs吸附等温式（溶液的表面张力）
表面张力随溶液组成的变化规律一般有三种比较典型的类型

Γ表示单位面积上吸附溶质的过剩量，其单位是摩尔/cm2。它表示溶质的表面浓度和本体浓度之差。如果为正，为正吸附，溶质的表面浓度大于本体浓度，即称为表面超量；若为负，则为负吸附，溶质的表面浓度小于本体浓度，叫做表面亏量。
三、固体表面

1、比表面积定义：
• 1g某种固体，其密度为2.2 g/cm3，把它粉碎成边长为10－6 cm的小立方体，求其总表面积。
2、吸附等温线：吸附量可用单位质量吸附剂所吸附气体的量或体积来表示。
3、Langmuir吸附等温式
A、Langmuir吸附公式
b为吸附系数，Vm代表表面上吸满单分子层气体的吸附量，V代表压力为P时的实际吸附量。（1）低压或吸附很弱时，bp《1,则θ=bp,即θ与p成直线关系（2）高压或吸附很强时，bp》1,则θ≈1，即θ与p无关，（3）当压力适中，θ用式（3-10）表示。
B、用活性炭吸附CHCl3，符合Langmuir吸附等温式，在0 ℃时的饱和吸附量为93.8 dm-3*kg-1。已知CHCl3的分压为13.4kPa时的平衡吸附量为82.5 dm-3*kg-1 。试计算CHCl3的分压为为6.67kPa时的平衡吸附量。
解： 由Langmuir吸附等温式：

已知：Vm＝93.8×10-3 m3kg-1 V= 82.5×10-3 m3kg-1 P=13.4 kPa
代入上式，求得 b＝5.45×10-4 m2N-1
以p =6.67 kPa, Vm和b如上，代入Langmuir式，求得V＝73.6 ×10-3 m3kg-1
4、 BET多分子层吸附理论定义
（1）固体表面是均匀的，吸附作用是吸附和解吸的平衡
（2）吸附是多分子层的。各相邻吸附层之间存在着动态平衡。
（3）第一层吸附是固体表面与气体分子之间的相互作用，其吸附热为ｑ１。第二层以上的吸附都是吸附质分子之间的相互作用，吸附热接近被吸附分子的凝聚热ｑＬ。
5、Young 方程和接触角定义
Young 方程

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。
（1）θ=0，完全润湿，液体在固体表面铺展。（2）0<θ<90°，液体可润湿固体，且θ越小，润湿越好。（3）90°<θ<180°，液体不润湿固体。（4）θ=180°，完全不润湿，液体在固体表面凝成小球。
6、接触角的测定方法
（1）停滴法 （2）电子天平法
7、润湿过程的三种类型
（1）粘附润湿：这是液体直接接触固体，变气-液表面和气-固表面为液-固界面的过程。
（2）浸湿：浸湿过程是原来的气-固表面为液-固界面所代替。
（3）铺展润湿：铺展润湿是液体与固体表面接触后，在固体表面上排除空气而自行铺展的过程，亦即一个以液/固界面取代气/固界面同时液体表面也随之扩展的过程。
第2章 表面活性剂
1、 什么是表面活性剂
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。
2、 表面活性剂分子的结构特点
表面活性剂分子有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。
3、 表面活性剂的分类
（1）按亲水基类型分： 根据表面活性剂溶于水中能否解离,解离成何种离子进行分类
(a) 能电离的叫做离子型表面活性剂(b) 不能电离的叫非离子型表面活性剂。
（2）按分子量大小分：（a）低分子量表面活性剂：1000以下；（b）中高分子量表面活性剂：1000以上；
（3）按工业用途分类：渗透剂、润湿剂、乳化剂、分散剂等。
（4）按疏水基的类型分：（a）碳氢链；（b）聚氧丙烯；（c）氟表面活性剂（d）硅表面活性剂（e）含硼表面活性剂
4、 表面活性剂的表面物理化学性能（表面活性、CMC、PC20）
表面活性剂的活性
表面活性可以用（-dσ/dC）来表示。但定量的表征方式是σCMC，CMC或PC20。
（1） σCMC是用于评价表面活性剂降低表面张力的能力的。
（2）表面活性剂的效率：将表面张力降低到某一值以下，比较不同表面活性剂的浓度。浓度越小，效率越高。通常用CMC表示。
（3） PC20 ：表面张力降低20mN/m时，溶液本体浓度(C2)的负对数值即为PC20。
PC20值越大，表示该表面活性剂降低表面张力的效率越大；PC20值增加一单位，表面活性剂的效率提高10倍。表面活性剂的效率与能力不一定一致
5、 亲疏平衡值定义
亲水-疏水平衡值HLB的大小表示表面活性剂亲水亲油性的相对大小，HLB值越大，表示该表面活性剂的亲水性越强，HLB越低，则亲油性或疏水性越强。
6、 HLB值范围及其适当用途
HLB值范围 应用 HLB值范围 应用
1~3 消泡剂 8~18 O/W型乳化剂
3~6 W/O型乳化剂 13~15 洗涤剂
7~9 润湿剂 15~18 增溶剂
7、 HLB 值的确定
（1）非离子型HLB值的计算
对聚乙二醇和多元醇非离子型表面活性剂:

（2）求 的HLB值
解：亲水基分子量：（CH2CH2O)9=396 表面活性剂分子量=616
HLB=396/616*100/5=12.86
对于聚乙二醇型非离子表面活性剂，上式可作如下改变：
HLB=EO/5 (5-2) 其中EO为聚乙二醇部分及亲水基的质量%数
（3）混合表面活性剂HLB值的计算

8、 什么是相转型温度（PIT)
非离子型表面活性剂乳状液随着温度升高,从原来O/W型转变为W/O型的温度,称为相转型温度(PIT), 也叫做亲水-亲油平衡温度(HLB温度).
9、 什么是CMC？影响因素有哪些？
（1）少量活性剂的加入可使水的表面张力迅速下降，但到某一浓度后，水溶液的表面张力几乎不变。这个表面张力转折点的浓度称为临界胶束浓度（CMC)。
（2）影响因素：①亲油因素使CMC下降；②亲水因素使CMC增加；③温度影响
开始时CMC随温度升高而下降，中间经过一最小值，然后随温度升高而增大。
10、 Krafft温度
离子型表面活性剂的溶解度随温度变化的特点是在足够低的温度下，溶解度随温度升高而慢慢增大，当温度达到某一定值后，溶解度会突然增大。这种现象称为Krafft现象。溶解度开始突然增大的温度叫Krafft温度,也叫K.P点.
11、 浊 点
非离子型表面活性剂溶液的溶解度随温度升高而下降，当温度升到一定值时，溶液突然变成混浊，此时的温度成为浊点，即C.P值。
第3章 高分子聚合物表面
1、总结固体聚合物表面张力的测试方法。
（1）由熔融聚合物的表面张力-温度关系外推；
（2）由表面张力与分子量关系，以σ-M-2/3或σ1/4对Mn-1作图外推；
（3）由等张比容法估算
（4）由表面张力与内聚能关系估算
（5）测定液体对聚合物的接触角由方程式（6-40）求取σSL；
（6）用两种已知σd和σp的液体测定其对高聚物的接触角,由几何平均法或调和平均法，
（7）用同系列液体测出其对高聚物的接触角，以cosθ- σLV作图，求临界表面张力σC。
（8）用一系列测试液体测定其对高聚物的接触角θ，再求出σC,φ ，以σC,φ对σLV作图，求σS的状态方程法.
2、 聚合物表面改性和表面接枝各有哪些方法？其原理各是什么？
表面改性方法：
（1） 电晕放电处理（2）火焰处理和热处理（3）化学处理（4）臭氧氧化
（5） 低温等离子处理（6）表面接枝
表面接枝方法:
（1） 表面接枝聚合法：①射线辐射法②低温等离子法③光化学接枝法
（2） 耦合接枝法
（3） 添加接枝共聚物法
第五章 生物材料表界面
1界面浸润性的分析表征
A. 接触角———单丝浸润法、单丝浸润力法、毛细浸润法
B. 表面张力———采用固体聚合物表面张力的测定方法
2增强纤维表面形貌的分析表征：SEM
高性能纤维表面处理后的形态、表面接枝聚合物后的表面形态、复合材料破坏断面的纤维形貌
3增强纤维表面化学组分、功能团及化学反应的分析表征
表面化学组分———— XPS
表面官能团———— 化学分析、热重、FT-IR、XPS
表面自由基————DPPH测定法
4界面力学性能的分析表征
界面残余应力、界面的动态力学分析、微量冲击分析、单丝力学模型层间剪切强度
5界面形态的微观分析表征
横晶、界面优化模型
名词解释：
1生物医用材料（一般定义）：是一种能对机体的细胞、组织和器官进行诊断、治疗、替代、修复、诱导再生或增进其功能的材料。
2接触引导：细胞是根据其接触的下层材料表面的拓扑形貌而取向生长的——即接触引导
填空题：
1.生物材料表界面表征的方法：
S 接触角分析； S 原子力显微镜(AFM)；
S X射线电子谱； S 二次离子质谱；
S 扫描电子显微镜(SEM)；S 透射电子显微镜；
S 傅里叶变换红外光谱(FTIR) 。
2.按照材料组成及属性，可将生物材料分为：
金属生物材料；生物陶瓷材料；高分子生物材料；复合生物材料；生物衍生材料；组织工程材料。
3. 生物相容性的影响因素：
（1）来自材料方面包括：材料的类型及组成、表面形态及结构、物理化学性质、亲水性、材料的表面粗糙度、表面能、表面电荷状况及材料表面负载的活性因子等；
（2）来自系统因素包括：植入组织附件、操作技术、感染情况等
简答题：
1、 生物医用材料的基本性能：
（1）具有良好的生物相容性； （2）与生物组织亲和性好；
（3）具有与天然组织相适应的力学性能；（4）在生物体内材料的物理、化学性能稳定；
（5）耐消毒、杀菌； （6）易加工，材料性质具有重复再现性
2、细胞与材料表面之间的相互作用的影响因素
(1)材料表面化学性质； （2)材料表面蛋白吸附能力；
Ž(3)表面自由能； (4)表面亲水和疏水能力；
(5)表面电荷性能； (6)表面生物活性及表面拓扑结构等
3、 生物材料表面修饰方法
（1）表面固定蛋白质对生物材料进行表面修饰
（2）表面固定氨基酸及其衍生物对生物材料进行表面修饰
（3）表面固定多肽对生物材料进行表面修饰
（4）表面固定细胞生长因子对生物材料进行表面修饰
（5）表面固定酶类对生物材料进行表面修饰
（6）利用微模型技术对生物材料进行表面修饰
（7）人工骨和人工关节表面修饰