《固体的表面能及其亲水_疏水性》由会员分享，可在线阅读，更多相关《固体的表面能及其亲水_疏水性（6页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、固体的表面能及其亲水 疏水性王 晖 顾帼华(中南大学化学化工学院 长沙 410083)国家自然科学基金项目(50574107)资助2009203209收稿,2009206229接受摘 要 固体表面的亲水 疏水性质与表面分子与水之间的固 液界面相互作用自由能以及水介质中表面分子与空气之间的固(液) 气界面相互作用自由能密切相关。水介质中固体表面与水之间存在范德华引力或疏水引力,与气泡之间存在范德华斥力、 疏水引力以及静电斥力。在Lifshitz2范德华(LW)相互作用自由能、Lewis酸2碱(AB)相互作用自由能以及静电(EL)相互作用自由能3者之中,AB相互作用自由能比其它两者要大23个数量级
2、以上。与固体表面能Lewis酸2碱分量相关的亲水指数+ S+- S可以成为衡量固体表面亲水 疏水性质的重要判据,水介质中固体表面疏水的必要条件是+ S+- S 5mJ12m,指数大于或接近5 mJ12m的表面必然是亲水的。关键词 表面能 界面相互作用 亲水 疏水性 亲水指数Surface Free Energy of Solid Matter and its HydrophilicHydrophobic N atureWang Hui , Gu Guohua(School of Chemistry and Chemical Engineering , Central South Univers
3、ity , Changsha 410083)Abstract The hydrophilichydrophobic nature of solid surface is closely related to the interfacial interactions betweensurface molecules , water and air , which can be divided into two series including solidliquid and solid(liquid)gasinterfacial interactions. There exist the Van
4、 der Waals attractive force and hydrophobic attractive force between solid surfaceand water interface , and there exist Van der Waals exclusive force , hydrophobic attractive force and electrostatic exclusiveforce between solid surface and air interface. Comparing the interactive free energy of Lifs
5、hitz2van der Waals(LW) , Lewisacid2base(AB) and electrostatic interactions , the strength of the hydrophobic attractive force or hydration exclusive force isstronger than the Van der Waals force or the electrostatic force by about 23 orders of magnitude. While+and-represent the Lewis acid component
6、and Lewis base component of the surface free energy respectively , the hydrophile indexis defined as+ S+- S, which is very useful to judge the hydrophilichydrophobic nature of solid surface. Thenecessary condition of hydrophobic surface is+ S+- S 5mJ12m. The solid have a hydrophilic surface if thehy
7、drophile index is larger than or close to 5 mJ12m.Keywords Surface free energy , Interfacial interaction , Hydrophilichydrophobic nature , Hydrophile index表面自由能是分子间力的一种直接证明,液体或固体表面的分子受到不平衡的分子间力的影响,与内部分子比较,它们具有附加的能量1。van Oss等2 ,3认为,表面能由其Lifshitz2范德华分量LW和Lewis酸2碱分量 AB组成,其中 AB又包含Lewis酸分量+和Lewis碱分量 -。 按
8、扩展的DLVO理论4 ,5,两物质(组分)之间相互作用总的自由能应包括静电相互作用自由能、Lifshitz2范德华相互作用自由能以及Lewis酸2碱相互作用自由能,涵盖静电力、 范德华力、 疏水引力及水化斥力。固体表面的亲水 疏水性质实质上与两类相互作用自由能密切相关,其一是表面分子与水之间的固 液界面相互作用自由能,其二是水介质中表面分子与空气之间的固(液) 气界面相互作用自由能,物质的表面能参数可以成为衡量其表面亲水 疏水性质的重要判据。1901http : www. hxtb.org 化学通报 2009年 第12期1 固体的表面能按文献68介绍的方法测定了30种固体的表面能参数,结果列于
9、表1中。这30种固体表面可 以分为极性和非极性两大类,但只有聚丙烯(PP)和聚乙烯(PE)属于非极性树脂,其它物质表面均或多 或少地表现出一定的两性性质,且Lewis碱性强于酸性。在各表面能参数中,Lifshitz2范德华分量LW的大小从31154mJm2到49185mJm2不等;Lewis酸分量+一般小于1 mJm2,较大的+出现在活性碳上, 达到12132mJm2;各表面的显著差异表现在Lewis碱分量-上,其变化范围从0到43143mJm2。检测结 果与文献919的报道结果具有良好的一致性。表1 固体的表面能参数( mJm2)Tab. 1 Parameters of surface fr
10、ee energy of solids( mJm2)表面能PP 树脂PE 树脂PS 树脂ABS 树脂PC 树脂PET 树脂PVC 树脂洗发水瓶塑料桶塑料雨靴LW32119331713615843112441024618143141341333211536133 +S01000100010100105901068016011730100290100280137 -S01000100510741764185413831500101301146101表面能塑料 软水管塑料 包装片塑料建 筑水管塑料装 饰扣板塑料 汽车灯罩塑料化 妆品盒塑料 饮料瓶电视机 外壳塑料空 调外壳塑料旅 行水杯LW38139
11、431944614647165461564410336171461354616947102 +S015201720174013801660106301016017901550167 -S61267194111442418513147512641819166171083181表面能CD碟片辉钼 矿粉滑石粉云母粉石英粉方解石粉玻璃高岭 石粉活性 碳粉玉米 淀粉LW46188491853513240144381872916731154351593116541106 +S016401001011301970163016501580147121320147 -S141560107561688193431
12、4330179391363416816131251542 界面相互作用自由能211 固 液界面相互作用 据扩展的DLVO理论4 ,5 ,20,固体表面与水之间的固液界面相互作用自由能GSW包括Lifshitz2范德华(LW)相互作用自由能 GLW SW以及Lewis酸2碱(AB)相互作用自由能 GAB SW两项21 ,22。 将固体看作半径为R的球形颗粒,液体视为无限厚板,可以得出当两表面间接触距离为d时相应的相互作用自由能与 作用距离的关系G(d)的表达式(式1)5 ,23 ,24,其中d0为两表面间的最小平衡接触距离,通常为011580108nm5;h0为衰减长度,一般取10nm5;水的表
13、面能参数612LW W= 2118mJm2、 + W= 2515mJm2、- W= 2515mJm2。GSW(d) =GLW SW(d) +GABSW(d)GLW SW(d) = - 4RLW SLW Wd2 0 d(mJ)GABSW(d) = - 4Rh0(+ S- W+- S+ W)expd0-d h0(mJ)(1)从式(1)分析,不论何种固体表面(极性还是非极性) ,在水介质中与水之间的LW相互作用自由能 和AB相互作用自由能只能小于零,意味着表面与水之间总是存在范德华引力或疏水引力,因此,对于 任何固体表面,在水介质中均会形成水化层,即在没有气相存在情况下,任何固体表面均是亲水的。非
14、极性表面亲水的原因是由于范德华引力在起作用,极性表面亲水的原因则是由于Lifshitz2范德华力和Lewis酸2碱相互作用力的共同作用。由此推断,固体表面的亲水程度与固液界面相互作用自由能的大 小密切相关。212 固(液) 气界面相互作用 水介质中固体表面与气相(气泡)之间的固(液) 气界面相互作用自由能GSWB包括Lifshitz2范德华2901化学通报 2009年 第12期 http : www. hxtb.org(LW)相互作用自由能GLW SWB、Lewis酸2碱(AB)相互作用自由能GAB SWB以及静电(EL)相互作用自由能 GELSWB5 ,2022。 将固体和气泡分别看作半径为
15、R1和R2的球形颗粒,同样可以得出当两表面间接触距离为d时相应的相互作用自由能与作用距离关系的表达式(式2)5 ,23 ,24。 GSWB(d) =GLW SWB(d) +GABSWB(d) +GELSWB(d)GLW SWB(d) =4R1R2 R1+R2(LW SLW W-LW W)d2 0 d(mJ)GABSWB(d) =4R1R2 (R1+R2)h0(+ W- S+- W+ S- 2+ W- W)expd0-d h0(mJ)GELSWB(d) = aR1R2 (R1+R2)(2 01+2 02)20102 2 01+2 02p+q (mJ)p= ln1 + exp(-d) 1 - exp(-d)q= ln 1 - exp(- 2d)(2)式(2)中:a为分散介质的绝对介电常数,真空中为818510- 12C2J- 1m- 1,水中为619510- 10C2J- 1m- 1;0为颗粒表面电位(mV或mJC) ,可近似用动电位代替5;为德拜长度的倒数,常温下取01104nm- 15。 分析式(2) ,由于LW S大于LW W,故GLW SWB大于0 ,因此,水介质中固体表面与气泡之间总是存在范德华斥力;而由于+ W- S+- W+ S小于2+ W- W,GAB SWB小于0 ,水介质中固体表面与气泡
