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第6章高分子材料的表界面;
高分子材料的表界面特性具有重要意义
纤维的染色、塑料的喷金、薄膜的印刷、材料的粘接、聚合物合金及相容性、复合材料的界面、聚合物的抗静电性能、医用高分子材料与生物体的相容性等等。
表面张力是材料表界面的最基本性能之一。液体的表面张力测定可由经典物理化学方法测定,固体材料表面分子没有流动性。其表面张力测定没有直接的方法,只能通过间接的方法或估算求取。;6.1表面张力与温度的关系;●Ramsay和Shields的修正:
以(TC-6)来代替TC,即:
对于许多液体来说,常数K基本上不变,其值约为2.1×10-7J/℃;外推法的缺点,未考虑相变对表面张力的影响.
熔融液态-结晶态;或高弹态-玻璃态;6.2表面张力与分子量的关系;●研究表明:同系高聚物的表面张力也随分子量的增加而增加。但表面张力σ不是与分子量的M-1,而是与M-2/3呈线性关系,即:
σ∞:分子量无穷大时的表面张力(常数)。
●表面张力与分子量的另一个有用的关系式是:
Ks为常数。
以σ-M-2/3或σ1/4对Mn-1作图,并外推到高分子量区域,即可间接得到固态高聚物的表面张力。;正烷烃的?~M-2/3关系;;
聚乙二醇甚至在齐聚物范围内,表面张力与分子量无关。原因:聚乙二醇分子端基上的羟基之间能发生氢键缔合作用,使得齐聚物的性能变得象分子量无穷大一样。
进一步证实:将聚乙二醇的端羟基醚化或酯化,使其不能形成氢键,则表面张力与分子量之间具有对应关系。;高分子聚合物往往是晶态与非晶态共存的。由于晶态的密度高于非晶态,因此晶态的表面张力高于非晶态。
高聚物熔体冷却固化时,通常表面生成非晶态高聚物,本体则富集晶态高聚物,以降低体系的能量。
如果使高聚物熔体在具有不同成核活性(或不同表面能)的表面上冷却,可得到结晶度不同的表面,这类表面具有不同的表面张力。;;6.4表面张力与分子结构的关系;等张比容是与物质的分子结构密切有关的量,摩尔体积与物质的密度有关,因而也与温度有关。因此,影响表面张力的两个重要因素是温度和分子???构。;例:求甲基丙烯酸甲酯的表面张力
(摩尔体积:V=86.5cm3/mol)
CH3
结构单元:—CH2-C-
COOCH3
2个CH356.1×2=112.2
一个酯键64.8
一个-CH2-39.00
一个C4.8Pi加和=220.8
σ=(P/V)4=(220.8/86.5)4=42.8×10-3N/m
;未考虑分子量和结晶的影响;6.5表面张力与内聚能密度;V为摩尔体积。
●内聚能密度的平方根称为溶解度参数δ,即:
溶解度参数是确定高聚物与溶剂的溶解性和聚合物与聚合物之间相容性的重要参数。;●对于小分子,Hildebrand和Scoff提出了如下的表面张力和内聚能密度间的关系式:;●Lieng-HuangLee对高聚物提出如下关系式:
K为常数,对液体和类似液体高聚物为0.24,φ为分子相互作用参数。;例:计算聚四氟乙烯(PTFE)和(PP)聚丙烯的表面张力,已知:VPTFE=45.5cm3/mol;Vpp=46.2cm3/mol
解:;6.7界面张力;6.7.2Good-Girifalco理论;由于:;其中;●可以证明,当两相极性完全相同时,φA具有最大值为1。随着两相间极性差异增大,φA值随之减小。若两相均为非极性,则μ1=μ2=0。
当I1=I2时,φA达最大值为1.;;6.7.3几何平均法;对于包括氢键和极性力的分子,表面张力可表示为各种分子间力贡献的总和:;已知Young方程:σSV=σSL+σLVcosθ(6-38);将(6-45)式与Young方程结合,并将σSV简化为σS,σLV简化为σL,则可得到:;例:估算PVC的σs,已知水对PVC的接触角θ=87o,二碘甲烷对PVC的接触角θ=36o。;代入式(6-47)得;6.7.4调和平均法;即;令1相S相,2相为L相,将式(6-50)与Young方程结合,得:;;虽然几何平均和调和平均法求得的物质表面张力可能有较大的差别,并且它们都是在假定φ=1的条件下展开讨论的,但是在实际研究中,往往不一定需要知道材料表面张力的确切数值,但是对材料表
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