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§7-5材料表面能与界面结合力研究高分子材料表面能是了解其粘合机理的基础。无论是从热力学理论出发提出的粘接功，还是反应材料润湿能力的接触角以及与材料粘合有关的扩散、键合、机械作用等理论，都与液固两相及其界面的表面能──表面张力有关。一、表面张力与分子间作用力物体表面具有表面张力，这与表面上分子与体相内分子所处的状态不同有关。表面层的分子是处于不对称的力场中，它受到四面八方分子的作用力，总的作用力之和等于零，而表面的分子只受到下边分子的作用力，于是表面分子就沿着表面平行的方向增大分子间的距离，总的结果相当于有一种张力将表面分子之间的距离扩大了，此力称为表面张力。表面张力可以用N/cm的单位来表示。不同材料(液体)的表面张力是不同的，这与分子间的作用力(包括色散、极性和氢键)大小有关。相互作用大者表面张力高，相互作用小者则表面张力低，但不论表面张力大小，物体总是力图缩小其表面，降低表面能，趋向稳定。通常将表面张力在100×10-3N/m以上者称为高能表面，100×10-3N/m以下者称为低能表面。表面张力与分子间作用力液体膜张力缩小表面积示意图液体体相内分子与表面分子所处的状态及分子间作用力部分材料的表面张力二、界面张力与粘附功不同的两相高聚物相接触，其接触面就是两相的界面。将界面可逆地分离开所需的能量即为粘附功(Wa)，它和两相的表面张力r1和r2以及界面张力r12有以下关系：Wa=r1＋r2－r12由上式可知，要使粘附功Wa增大，就要降低界面张力r12，当两相物质相同，则界面消失，r12＝0，r1＝r2。两相高分子材料的表面张力和极性决定了界面张力的大小，温度、介质等环境因素也程度不同地影响其大小。三、接触角与润湿能力润湿吸附理论实质上就是以表面能为基础的吸附理论，它认为粘合的好坏决定于浸润性，浸润得好，被粘物体和粘合剂分子之间紧密接触而发生吸附，则粘合界面形成了巨大分子间作用力，同时排除了粘合体表面吸附的气体，减少了粘合界面的空隙率，提高了粘合强度，因此人们常把浸润(润湿)性作为一个量度来预测和判别粘合效果。液滴对材料的润湿模型液体对固体表面润湿程度可用接触角θ表示。它是在液滴、固体、气体接触的三相界面点，作液滴曲面的切线与固体表面的夹角。可见，液体在固体表面上的接触角越小，润湿程度越好。而润湿角的大小取决于它们的表面张力的大小。当一滴液滴在固体表面上达到平衡时，应满足下列方程：式中：rS－固、气表面张力rL－液、气表面张力rSL－固、液表面张力θ－接触角如果上式成立，则液体处于静止状态，此时的接触角称为润湿角。要想增加润湿程度，就应该增加cosθ、减小θ或提高固气表面张力。随着润湿程度的增加，θ角相应减小，当θ＝0时，即呈完全润湿。这就是说，只有液体的表面张力小于固体的表面张力时，才有可能润湿；而表面张力大的物质不能润湿表面张力小的物质。对于高分子材料而言，粘接功WA可用下式表示：由上式可知，粘接功与润湿性关系很大，因此人们常用θ角的大小来度量润湿性和粘接强度。粘接过程是很复杂的，仅从热力学理论分析还不够，还有一个动力学问题，即润湿速度，而润湿速度则与体系的表面粗糙度、粘度、分子量等因素有关。为了得到良好的粘合，要求润湿速度大于粘合剂的固化速度。另外，根据接触角原理，为增加粘合剂的润湿能力，可在其中加入适量表面活性剂，以降低其表面张力。