表面自由能估算

分类：固体表面能

表面能虽然可明确被定义，却无法如液体表面张力一样被直接测量，只能通过间接计算得到。杨氏方程(γ_LG·cosθ=γ_SG-γ_SL)中，固体表面能即为一个参与计算项，则事实上接触角是因固体表面能存在而存在的。γ_LG为液体表面张力，γ_SG为固体表面能，γ_SL为固—液界面张力，θ为接触角，γ_LG和θ可由仪器测量得到，可是尚有两个未知数，因此无法直接算出表面能γ_SG，所以表面能并无正确或标准的值，只能由一些模型中提供另一组方程式以便求出近似值，即找到一系列符合某个理论模型的探测液体，测出这些液体与被分析固体的接触角值，再应用这个理论进行表面自由能估算，目前常用的模型如下：

Zisman Plot (临界表面张力法)
Fowkes（几何平均法）
Extended Fowkes（扩展几何平均法）
Owens-Wendt-Rabel-Kaelble（几何平均法）
van OSS-Chaudhury-Good (LW-AB法)
Wu Harmonic Mean (调和平均法)
Equation of State (状态方程法)

上述估算方法均须要已知探测液体的表面张力，和置于固体表面的接触角。不同估算方法得到的结果彼此有可能高达25%的差异，然而每种方法皆有其适用的表面固体，因此却无所谓正确或标准值。虽然如此，表面能仍具有原理的基础性，如液体表面张力一样具备客观性，同时对于一般所适用的模式，其误差是在可接受范围内。具体应用如下表所示：

估算方法	可提供的信息	探测液体	适用固体	举例
Fowkes法	表面能的色散部分	1种极性液体	低表面能的非极性固体	PE、PTFE、石蜡
扩展Fowkes法	表面能、色散力、极性力和氢键力	3种液体	极性、非极性或具氢键特性的固体	聚合物、乳液
Owens-Wendt法	表面能、色散力和极性力	2种不同极性的液体	极性或非极性固体	聚合物、铝、涂层、清漆
van OSS酸碱理论	表面能、色散力和酸碱度	1种非极性液体，2种极性液体	非极性或具酸碱特性的固体	高分子树脂材料
Wu调和平均法	表面能、色散力和极性力	2种至少1种为极性的液体	低表面能的极性或非极性固体	有机溶液、聚合物、有机染料
临界表面张力法	临界表面张力	2种非极性液体	非极性固体	PE、PTFE、石蜡
状态方程法	表面能	1种液体	通用	聚合物、铝、涂层、清漆
Schultz-1	表面能、色散力和极性力	2种液体	高表面能的极性或非极性固体	金属、玻璃
Schultz-2	表面能、色散力和极性力	2种液体	高表面能的极性或非极性固体	聚合物、铝、涂层、清漆