表面能讲义、课件.pdf

表面能，主要内容V 研究意义C 基本概念 接触角测量方法V 表面能计算方法研究意义表面能与生物材料血液相容性关系V表面能与细胞粘附有一定关系表面能与晶体生长/溶解之间的关系表面能与生物材料血液相容性关系，蛋白质的吸附蛋白质吸附达到某个临界厚度 血小板吸附血栓。而吸附的临界厚度有取决于材 料的表面性质。表面能决定材料表面蛋白质的吸附量，吸附的稳定性,吸附后对血小板粘附的影响，以及吸附后蛋白质的构 型是否发生变化。表面能与细胞粘附有一定关系，细胞在材料表面附着的过程一般认为首先是血清蛋白 的吸附，然后是细胞在材料表面的接触、附着、伸展。材料的表面能对细胞附着的早期影响可能与表面蛋白 的吸附有关。，对生物材料表面能与细胞附着的关系进行深入研究有 利于发现细胞在不同生物材料表面附着的机制，从而 有利于生物材料表面的优化设计。表面能与晶体生长/溶解之间的关系V界面是物质的结晶、溶解等过程的实际发生位点，溶液中晶体生 长和溶解事实上就是一个典型的固体和液体的界面反应过程V在固一液体系中，表面能不仅对于固（胶）体粒子在溶液中的稳定 性，溶液中的分（离）子在固体表面的吸附，而且还对晶体生长的 速度和形状都有着重要的影响和控制作用，品体生长和溶解的动力学和表面能的研究相结合，不仅为界面研 究提供了新的思路和方法，而且也会推动晶体生长和材料科学的 发展。表面与界面，表面：表面即物理单独存在时的外部区域处于表面 的物质分子的朝外方向。，界面：界面是两种不相容和不反应的物质相接触时的 交界区，常见界面：气一液、气一固、液一固和固一 固形式。，表面与界面常常混淆，实际上，真正在表面是不存在 的。通常所说的表面应该是界面，是指其中一项为气 体。，广义上物质表面处的分子由于受力不平衡产生一种向 内收缩的力或者势能，即表面张力或表面能（液体物 质为表面张力，固体物质为表面能）。表面能：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自由能或表面 能，用符号/表示，单位为mJ/m2。，表面张力：在两相（特别是气-液）界面上，处处存在着 一种张力，它垂直与表面的边界，指向液体方向并与 表面相切。把作用于单位边界线上的这种力称为表面 张力，用/表示，单位为mN/m。V体相内部分子受力对称，表面处受力不平衡。极性分量和色散分量：表面张力及界面张力均为物质分子作用力(范德 华力)所致。包括色散作用、偶极及诱导极作用和氢 键作用等。极性物质的分子力主要由色散力和偶极力 组成，故表面张力(表面能)可看作由色散作用成分(y d)及偶极作用成分(y p)组成。即：/=/d+y P对于非极性液体，其表面张力完全由色散成分组成，即7=/d,这样可方便的通过上式计算极性液体试样 的7d，液体的表面张力可以直接测定，固体的表面能不能直 接测定。液体的表面张力测定值实际上是液体/气体的 界面张力九V。但九v=/l。，液体的表面张力测定方法：最大压力气泡法,毛细管 上升法，挂环法，滴重法，挂片法。，液-固体系的界面张力/SL与液体的表面张力/L及固体 表面张力（表面能）/s之间的关系，按几何平均法则 为r sl=r s+r l(r l r 1/2影响表面张力的因素（1）分子间相互作用力的影响：对纯液体或纯固体，表 面张力决定于分子间形成的化学键能的大小，一般化 学键施强，表面张力越大。两种液体面的鼻面张力，界于两种液体表面张力之间。Y（金属键）Y（离子键）X（极性共价键）AX（非极性共价键）（2）温度的影响温度升高，表面张力下降。（3）压力的影响表面张力一般随压力的增加而下降。因 为压力增加，气相密度增加，表面分子受力不均匀性 略有好转。另外，若是气相中有别的物质，则压力增 力口，促使表面吸附增加，气体溶解度增加，也使表面 张力下降。表面能的计算图1液滴在固体表 面的平衡状态 0=0完全湿润状态，0=180。完全不湿润状O，因为重力作用,，Young方程：I设固-液接触面积为单位面积，在恒温恒压下，润湿过 程引起体系自由能的变化是：G=ysl-Ysv-Ylv式中加，,“，7”分别为单位面积固-液、固-气和液-气的 界面自由能。粘附功定义:在等温等压条件下，单位面积的液面与固体 表面粘附时对外所作的最大功称为粘附功，它是液体 能否润湿固体的一种量度。粘附功越大，液体越能润 湿固体，液-固结合得越牢。在粘附过程中，消失了单位液体表面和固体表面,产生了单位液-固界面。粘附功就等于这个过程表面吉 布斯自由能变化值的负值。Young方程=Ysv+Ylv-YslYsv=Ysl+Ylv cosO wa=7“(l+cos9)，粘附功又可以用两相中各自的极性分量和色散分量来表示：Wa=2加哈+2加4式中呼和/第为固体和液体表面自由能的极性分量，式 中娉和7%为固体和液体表面自由能的色散部分。力（1+cos。）=271+2lv，式中弁和区为两个未知数，但只要找到两个已知和 的探测液体，测量此二种液体在固体表面的接触角，分别把液体的表面张力和接触角的数据代入上式，即 可得两个独立的方程，解此方程组即可得到弁和/O，将式写成丫:A+BX的形式即为九/(1+cos6)=+2y1 YYlvi+”(4+川盯2x(吟卜 V，所以可以采用最小二乘法进行数据的分析计算。截距A1作，斜率B二小，即八=吸+暝=1+炉材料与生物物质间界面张力的计算材料与血液、水等物质间界面张力可由下式计算&=显产-+（），/2-附勺2式中加C材料和生物物质间界面张力，/幺、彳分别为生 物物质和材料表面能极性分量，6、7：分别为生物物 质和材料表面能色散分量。C，临界表面张力（/J：Ysv=Ysl+7“cos。九v在cos6=1时的值、线性拟合九=W（i+cose）27小接触角测量，接触角的测量方法：这些方法大致分为三类：即测角 法、测高法和测重法。Adam-jessop插板法，投影 量角法，显微镜法，液滴最大高度发，吊片法等。，躺滴法最为广泛使用的测量方法之一。该方法测量简 单、方便，准确度一般在2度左右，如果液滴很小,重力作用引起的变性可以忽略，这时的躺滴可以认为 是球形的一部分。接触角影响因素，接触角滞后，表面粗糙度，表面吸附。表面污染的影 响，重力作用的影响，温度的影响，读数时间的影响,刻度相对于液滴的倾斜角度切样品一清洗一测量一计算表面能，注意每次滴下液体体积一样，尽快读数，每个样品测 量5个点，用躺滴法测量薄膜与几种已知液体之间的接触角。在 每个样品表面不同位置测量510次，读取液滴左右两 边的数据，计算求其平均值及置信区间。，测试环境：万级超净实验室，温度20 C,湿度45%I仪器：JY-82型接触角测量仪