第二章高分子材料的表界面
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高分子材料的表界面-课件
同时等张比容具有严格的加和性，即物 体的等张比容等于组成该物质分子的原子或 原子团和结构因素的等张比容之和。
1.5 表面张力与内聚能的关系
内聚能是表征物质分子间相互作用力强弱的 一个物理量，摩尔内聚能定义为消除1 摩尔物质全部分子间作用力时其内能的增加， 即：
式中Ecoh为摩尔内聚能 R为气体常数， T为 温度。 △H为汽化热（液体）或升华热（固 体）。
表面张力是材料表界面的最基本性能之一。对于小分子液体，表 面张力的测定已由经典物理化学研究建立了各种测试方法。对于粘稠 的高分子溶液或熔体，虽然其分子仍具有一定的流动性，但要达到热 力学的平衡往往需要很长的时间。这就给表面性能的测试带来了很大 的困难。对于固态高分子材料，由于其表面分子几乎没有流动性，因 此表面张力的测试没有直接的方法，只能通过间接的方法或估算的方 法来求取。
1. 成核-增长机理 成核-增长机理可以得到在母体相中分散的岛 相结构，即形成所谓珠滴／基体型或海岛状结构， 这一过程称为成核增长。在成核-增长相分离过程 中，成核活化能与形成一个核所需的界面能有关， 即依赖于界面张力系数和核的表面积。成核之后， 大分子向成核微区扩散，珠滴增大。珠滴的增长 分为扩散和凝聚粗化两个阶段，每一阶段都决定 于界面能的平衡。因此由成核增长机理所形成的 形态结构主要为珠滴／基体型，即一相为连续相， 另一相以球形颗粒的形式分散在其中，尺寸较小 之间不互相连接。在成核-增长相分离过程中，成 核的原因是局部涨落。这种涨落可以是能量或浓 度波，波的幅度依赖于到达临界条件的距离。当 接近旋节线时，分离机理既可按成核增长机理亦 可按旋节分离机理进行。
1.1 表面张力与温度的关系
表面张力的本质是分子间的相互作用。因为分子间的 相互作用力因温度的上升而变 弱，所以表面张力一般随温度的上升而下降。 液态高聚物的表面张力随温度变化也呈线性关系， 其-（dσ/dT）值约为0.05×10-3N/mc, 因为-（dσ/dT） 是表面熵，所以高聚物的-（dσ/dT）值较小的原因是大 分子链的构象受阻，一些聚合物的表面张力与温度关系 如图所示。常温度范围内，表面张力与温度的关系呈直 线关系 :
聚合物共混原理第二章聚合物共混物的形态学
26
如何提高两相间的界面面积和分散相的分散程度？
可以发现
第一步：增加两相之间的接触面积无疑有利于大分子链段 之间的相互扩散、提高两相之间的粘和力。在共混过程中， 保证两相之间的高度分散、减少相畴尺寸是十分重要的。 方法有：采用高效的共混机械（如双螺杆挤出机和静态混 合器）；采用IPN技术；采用增容剂。
10
1.3．两相连续的形态结构 ①互相穿插； ②相畴（分散相的微区），其大小与两组分相容性有关，相容 性越好，则相畴越小； ③典型例子：互穿网络聚合物IPNs，其中，两种聚合物相互 贯穿，整个共混物成为一个交织网络。 制造方法：第一种先适度交联，然后浸入第二种单体中进 行聚合。
11
两种组分都形成三维空间连续的 形态结构。典型的例子是互穿网 络聚合物（IPN）。 如图所示。注意，互穿网络聚合 物不是分子级别的的相互贯穿， 而是分子微小聚集体相互贯穿。 两组分的相容性和交联度越大， 相互贯穿网络聚合物两相结构的 相畴就越小。 白色部分为PS
32
对于一定的共混改性塑料，要使其呈现出优异的 力学性能，就应具有一最佳的界面层比例。 界面层比例取决于共混改性塑料的热力学因素和 动力学因素。 热力学因素是指熵和能，混合构象熵越大，两组 分间的相互作用能越大，则界面层越厚；
33
动力学因素是指在共混时增大剪切应力、剪切速率，进而 提高两相间相互分散的程度，减少相畴尺寸，增加接触面 积，增强两组分大分子链段相互扩散的能力。
35
3、两相之间的粘合
界面层有两种粘合类型。一是两相之间存在化学键。 如接枝和嵌段共聚物的情况 二是两相之间仅靠次价力 作用而粘合，如一般机械共混物的情况。对于后者， 普遍接受的是润湿－接触理论和扩散理论。 根据润湿－接触理论，粘合强度主要取决于界面张力， 张力越小，则粘合强度越大。根据扩散理论，粘合强度 主要取决于两种聚合物之间的热力学混溶性。混溶性越 大，粘合强度越高。这两种理论之间存在内在联系，是 统一的。
(完整word版)材料的表面界面特征及在材料工程上的意义
四川大学2009级研究生期末考试论文（2009-1010学年下半学年）课程名称:材料的表面与界面论文题目:材料的表界面特征及在材料工程上的意义学院:材料科学与工程学院专业:材料材料与纳米技术学号:S092030姓名:管东波材料的表面界面特征及在材料工程上的意义摘要：本文首先提出为什么要研究材料的表界面，随后又系统的阐述了何为材料的表界面，接着文章从液体材料表面、固体材料表面、固-液界面、金属材料表面、高分子材料表界面、无机材料表面等不同类型的材料表面来具体分析了材料表面的特征，最后文章简单的说明了材料的表界面对提高、改善材料工程上很多材料的性能有极大的帮助，研究材料的表界面对材料工程有着非常重要的意义。
关键词：材料的表界面、表面、界面、材料工程1．前言材料科学、信息科学和生命科学是当今新技术革命的三大前沿科学，而材料科学方面材料的表界面占有十分重要的地位，所以说研究材料的表界面特征对我们材料科学的发展、对我们材料工程的设计有着非常重要的意义。
材料的表面界面与其内部本体在结构上和化学组成上都有很明显的差别，这是因为在材料内部的原子周围布满原子，原子之间相互作用，中间原子所受的力是平衡的，而对于处于表面界面的原子，它所受的力场是不平衡的，所以在材料的表面产生了表面能（若是界面则称为界面能）。
对于不同组分构成的材料，组分与组分之间可形成界面，而对于单组份材料，由于其内部不可避免的会存在有缺陷，所以即使单组份材料内部也会产生界面。
材料的表界面对材料的整体性能有很大的影响，有的甚至直接决定了材料的性能，所以我们有必要把研究材料的表界面作为我们研究材料的一个重要研究对象。
2．材料表界面的定义及其特征2.1材料表界面的定义何谓材料的表界面？表界面研究的对象是不均匀的体系，具有多相性，即该体系中存在两个或两个以上的不同的相，而表界面就是指由一个相过渡到另一个相的这段过渡区域。
虽然说表面和界面都是指这段过渡区域，但由于习惯的不同，我们还是把表面和界面区分开来的，一般把固-气、液-气的过渡的过渡区域称为表面，而把固-液、液-液、固-固之间的过渡区域称为界面。
高分子材料的表征和导热性能研究
高分子材料的表征和导热性能研究高分子材料是一种重要的材料种类，具有广泛的应用领域。
如何对高分子材料进行表征和研究其导热性能，是当前高分子材料研究的一个热点问题。
一、高分子材料的表征高分子材料通常具有分子量大、化学结构复杂的特点，因此需要采用多种手段进行表征。
1. 分子量的测定高分子材料的分子量一般采用凝胶渗透色谱、粘度法等实验手段进行测定。
其中，凝胶渗透色谱具有分离精度高、灵敏度好等优点，可以处理多种分子量范围的高分子材料。
2. 凝聚态的表征对于固态高分子材料，需要采用X射线衍射、热分析等技术手段进行表征，以了解高分子材料的晶体结构、热性能等特征。
3. 动态热力学性能的表征高分子材料在使用过程中还需要考虑其时间依赖性、疲劳性、耐热性等方面的性能。
这就需要采用热分析、动态力学测试等技术手段进行表征。
二、高分子材料的导热性能研究导热性能是高分子材料的一个关键性能指标，对于高分子材料的设计、制备、应用都具有重要意义。
导热性能研究的主要方法有以下几个：1. 热导率的测试热导率是导热性能的基本指标之一，一般采用稳态热流方法进行测试。
稳态热流方法包括热阻率法、热板法等，能够准确测定材料在稳态下的导热性能。
2. 动态热导率的测试高分子材料在使用过程中很少处于稳态状态，因此需要考虑其动态导热性能。
动态热导率的测试方法包括脉冲法、频率扫描法等，能够模拟高分子材料在实际使用过程中的导热性能。
3. 热膨胀系数的测试高分子材料在受热过程中往往会产生热膨胀现象，对于导热性能的影响较大。
因此，需要采用膨胀测试仪等设备对高分子材料的热膨胀系数进行测定。
4. 界面热阻的测试高分子材料在应用过程中往往需要与其他材料进行接触，因此涉及到界面热阻的问题。
界面热阻的测试方法包括接触热阻法、热反射法等。
三、导热性能的改进高分子材料的导热性能往往不如金属等传统材料，因此需要采取一些措施进行改进。
导热性能的改进方法主要有以下几个：1. 添加导热填料通过向高分子材料中添加导热填料，如石墨、纳米银粉等，可以显著提高高分子材料的导热性能。
高分子物理第二章习题及解答
第二章2.1聚合物的晶态和非晶态结构2.1.1内聚能密度例2－1 根据高聚物的分子结构和分子间作用能，定性地讨论表2-3中所列各高聚物的性能。
表2-3线形高聚物的内聚能密度高聚物内聚能密度兆焦/米3 卡/厘米3聚乙烯259 62聚异丁烯272 65天然橡胶280 67聚丁二烯276 66丁苯橡胶276 66聚苯乙烯305 73高聚物内聚能密度兆焦/米3 卡/厘米3聚甲基丙烯酸甲酯347 83聚醋酸乙烯酯368 88聚氯乙烯381 91聚对苯二甲酸乙二酯477 114尼龙66 774 185聚丙烯腈992 237解：（1）聚乙烯、聚异丁烯、天然橡胶、聚丁二烯和丁苯橡胶都有较好的柔顺性，它们适合于用作弹性体。
其中聚乙烯由于结构高度对称性，太易于结晶，从而实际上只能用作塑料，但从纯C－C单键的结构来说本来应当有很好的柔顺性，理应是个橡胶。
（2）聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚醋酸乙烯酯和聚氯乙烯的柔顺性适中，适合用作塑料。
（3）聚对苯二甲酸乙二酯、尼龙66和聚丙烯腈的分子间作用力大，柔顺性较差，刚性和强度较大，宜作纤维。
可见一般规律是内聚能密度<70卡/厘米3的为橡胶；内聚能密度70～100的为塑料；>100的为纤维。
2.1.2 比容、密度、结晶度例2－2 由文献查得涤纶树脂的密度ρc=1.50×103kg·m-3，和ρa=1.335×103kg·m-3，内聚能ΔΕ=66.67kJ·mol-1(单元)．今有一块1.42×2.96×0.51×10-6m3的涤纶试样，重量为2.92×10-3kg，试由以上数据计算：(1)涤纶树脂试样的密度和结晶度；(2)涤纶树脂的内聚能密度．解(l) 密度结晶度或(2) 内聚能密度文献值CED＝476(J·cm-3)例2－3 试从等规聚丙烯结晶（α型）的晶胞参数出发，计算完全结晶聚丙烯的比容和密度。
材料的表面与界面第一章 表面与界面的基础知识
表面张力和表面自由能是对同一表面现象从 力学和热力学角度所做的描述。
表面张力的力学概念直观、易应用，在分析 各种界面同时存在的各界面张力的平衡关 系时容易理解。
表面自由能的概念反映现象的本质，讨论表 面现象的各种热力学关系时应用表面自由 能概念更贴切和方便。
在采用适宜的单位时（如表面张力用mN.m-1, 表面自由能用mJ.m-2），同一体系的表面 张力和表面自由能数值相同。
的高度h服从washburn方程：h2=ctrcos/2η 和η为液体的表面张力和黏度；c为毛细管因子，r为与粉体
柱相当的毛细管平均半径，一般将cr作为仪器常数。
五. 浮选与接触角
测定接触角后可以用来计算固体的表面能， 润湿热，吸附量等有用的数据。
在工业上接触角的研究的最大应用在泡沫浮 选：在矿浆中加入起泡剂等后通入空气形 成泡沫，由于水对矿石粉不同组成的润湿 性质不同，有用矿粉体附着在泡沫上并上 浮分离，无用的矿粉体则沉入水底。每年 全世界用浮选法分离的矿石达到10亿吨以 上。
材料表面与界面研究的意义 材料的表面与其内部本体，无论在结构上还是在化学组成上都有明显
的差别，这是因为材料内部原子受到周围原子的相互作用是相同的， 而处在材料表面的原子所受到的力场却是不平衡的，因此产生了表面 能。对于有不同组分构成的材料，组分与组分之间可形成界面，某一 组分也可能富集在材料的表界面上。即使是单组分的材料，由于内部 存在的缺陷，如位错等，或者晶态的不同形成晶界，也可能在内部产 生界面。材料的表界面对材料整体性能具有决定性的影响，材料的腐 蚀、老化、硬化、破坏、印刷，涂膜、粘结、复合等等，无不与材料 的表界面密切有关。因此研究材料的表界面现象具有重要的意义。
-GS=sg - lg - sl = S
高分子材料的界面性质研究
高分子材料的界面性质研究高分子材料是一类重要的功能性材料，其应用领域涉及电子、光电子、医疗、化工等多个领域。
然而，高分子材料的性质与表现与其所处于的环境有着密切的关系，因此研究高分子材料的界面性质成为了一项十分重要的任务。
高分子材料的界面性质是指其与环境物质之间的相互作用和影响。
这些相互作用和影响可以来自不同的环境物质，如溶液、气体、固体等，也可以来自高分子材料表面上的不同部位或不同结构。
研究高分子材料的界面性质不仅可以帮助我们深入了解高分子材料的特性，还可以为高分子材料的应用提供指导和支持。
一、高分子材料表面的化学结构对界面性质的影响高分子材料的表面化学结构是影响其界面性质的重要因素之一。
对于聚合物材料而言，其表面化学结构可以通过不同的方法来调控，如表面化学修饰、聚合物侧链修饰等。
这些方法可以改变聚合物表面的化学键结构和表面电荷等因素，从而影响其在不同环境中的相互作用和影响。
例如，在水溶液中，聚乙烯醇（PVA）的表面化学结构会影响其在溶液中的吸附和分散行为。
实验结果表明，表面羟基官能团含量较高的PVA能够更好地分散在水溶液中，而表面羟基含量较低的PVA则容易凝聚成大团块，形成颗粒状的沉淀物质。
另外，聚合物表面的官能团结构也会影响其与其他物质之间的相互作用。
例如，含羧酸官能团的聚合物表面与钙离子之间会发生络合反应，从而形成钙离子的化合物沉淀。
因此，在高分子材料的应用中，需要对其表面化学结构进行精调和控制，以达到更高的应用性能和效率。
二、高分子材料的界面能对其应用性能的影响除了高分子材料表面的化学结构外，其界面能也是影响其应用性能的重要因素之一。
高分子材料与其他物质之间的相互作用和能量变化，表现在高分子材料的表面能和界面能上。
表面能和界面能的大小和差值对于高分子材料的润湿行为、附着性能、摩擦学性质等方面有着重要的影响。
例如，在涂料和涂层领域中，高分子材料的界面能可以影响其与基底材料之间的附着性能。
第一章 表界面基础知识
令F=p-W环，R=R’+r，则可得
F 4 ( R' r ) 4R
经Harkins和Tordan校正
F f 4R
校正因子f 与两个无量纲量 有关，可从校正因子图查出
材料表面与界面
5、吊板法
p = W总 - W板 = 2(l + d)σ
l 和d 分别为吊板的宽度和厚度
气 相
液 相
材料表面与界面
表面张力（含义3-热力学含义)
根据热力学第一、第二定律，可以导出：
U H F G ( ) S ,V ( ) S , P ( )V ,T ( ) P ,T A A A A
表面张力为各种特定条件下，改变单位面积所引起的内能 U、焓H、自由能F、自由焓G的变化值，由于经常在恒温 恒压下研究表面能，故下式较常用
G A P,T
(1-3)
材料表面与界面
表面张力（含义3-热力学含义)
令GS为比表面自由焓，A为总表面积，则总表面自由焓为
G G A
S
代入式（1-3）得：
S G G S A( ) P ,T A
纯液体分子是可流动的， 表面改变并不引起表面结 构分子间平均距离及排列 情况变化，故：
材料表面与界面
理解
式(1-2)才是laplace方程的一般形式，是表面化学 的基本定律之一 当两个曲率半径相等时，R1=R2= r时，曲面成为 球面，式(1-2) 变成(1-1) 对于平液面，两个曲率半径均为无限大， Δp=0表 示跨过液面不存在压差
材料表面与界面
1.3 液体表面张力的测试
材料表面与界面
理解表明能
表面能是创造பைடு நூலகம்质表面时对破坏分子间化学键的度量。在 固体物理理论中，表面原子比物质内部的原子具有更多的 能量，因此，根据能量最低原理，原子会自发的趋于物质 内部而不是表面 表面能的另一种定义是，材料表面相对于材料内部所多出 的能量。把一个固体材料分解成小块需要破坏它内部的化 学键，所以需要消耗能量。如果这个分解的过程是可逆的 ，那么把材料分解成小块所需要的能量与小块材料表面所 增加的能量相等，即表面能增加 也可以这样理解，由于表面层原子朝向外面的键能没有得 到补偿，使得表面质点比体内质点具有额外的势能，称为 表面能
F 4 ( R' r ) 4R
经Harkins和Tordan校正
F f 4R
校正因子f 与两个无量纲量 有关，可从校正因子图查出
材料表面与界面
5、吊板法
p = W总 - W板 = 2(l + d)σ
l 和d 分别为吊板的宽度和厚度
气 相
液 相
材料表面与界面
表面张力（含义3-热力学含义)
根据热力学第一、第二定律，可以导出：
U H F G ( ) S ,V ( ) S , P ( )V ,T ( ) P ,T A A A A
表面张力为各种特定条件下，改变单位面积所引起的内能 U、焓H、自由能F、自由焓G的变化值，由于经常在恒温 恒压下研究表面能，故下式较常用
G A P,T
(1-3)
材料表面与界面
表面张力（含义3-热力学含义)
令GS为比表面自由焓，A为总表面积，则总表面自由焓为
G G A
S
代入式（1-3）得：
S G G S A( ) P ,T A
纯液体分子是可流动的， 表面改变并不引起表面结 构分子间平均距离及排列 情况变化，故：
材料表面与界面
理解
式(1-2)才是laplace方程的一般形式，是表面化学 的基本定律之一 当两个曲率半径相等时，R1=R2= r时，曲面成为 球面，式(1-2) 变成(1-1) 对于平液面，两个曲率半径均为无限大， Δp=0表 示跨过液面不存在压差
材料表面与界面
1.3 液体表面张力的测试
材料表面与界面
理解表明能
表面能是创造பைடு நூலகம்质表面时对破坏分子间化学键的度量。在 固体物理理论中，表面原子比物质内部的原子具有更多的 能量，因此，根据能量最低原理，原子会自发的趋于物质 内部而不是表面 表面能的另一种定义是，材料表面相对于材料内部所多出 的能量。把一个固体材料分解成小块需要破坏它内部的化 学键，所以需要消耗能量。如果这个分解的过程是可逆的 ，那么把材料分解成小块所需要的能量与小块材料表面所 增加的能量相等，即表面能增加 也可以这样理解，由于表面层原子朝向外面的键能没有得 到补偿，使得表面质点比体内质点具有额外的势能，称为 表面能
聚合物流变学第二章
t lim
F S 0 S
（2-3）
为 p 点处具有法线 n 的面元 S 上的平均表面牵引力，注意牵引力 t 与法 线 n 的方向一般并不重合。 图 2-1 面元 S 上的表面牵引力
在 p 点处，通过 p 的每个方向都可求出相应的牵引力 t 。可以证明， 描述流体内一点的应力状态， 只需求出任何过该点的三个正交独立曲面上 的牵引力 t1 , t 2 , t 3 就足够了。
（2-16） 流变函数除了定义粘度函数外， 还要定义与法向应力分量相关的函数。 注意偏应力张量中法向应力分量的值与各向同性压力的大小有关。 由于（2-8）式给出的各向同性压力的定义有一定任意性，使得应力张 量的分解有多种结果。 见下例，同一个应力张量给出两种不同的分解方法。
3 1 0 2 0 0 1 1 0 1 1 0 0 2 0 1 1 0 0 0 2 0 0 2 0 0 0
写成张量式：
（2-4）
t1 T11 T12 T13 n1 t T T T n 2 21 22 23 2 t 3 n 3 T31 T32 T33
（2-5）
或者简单地
t1 n1 t (T ) n ij 2 2 t 3 n 3
若定义 则 T 分解成 分量式
1 p trT 3 T pI
（该定义有一定任意性）
（2-8） （2-9） （2-10）
Tij p ij ij
称 p 为各向同性压力（静水压力），处在任何状态下的流体内部都具有各 向同性压力。它作用在曲面法向上，且沿曲面任一法向的值相等，负号表 示压力方向指向封闭曲面的内部。
高分子物理-第二章-高分子凝聚态ppt课件.ppt
子链伸展并沿流动 方向平行排列。
Row nucleation
(4) 串晶 Shish-kebab structure
较低温度下， 边结晶边搅拌
PE
i-PS
(5) 伸直链晶
聚合物在高压 和高温下结晶 时，可以得到 厚度与其分子 链长度相当的 晶片
Extended chain crystal of PE Needle-like extended chain crystal of POM
球晶结构示意图
环带球晶
聚乙烯
偏光显微镜下球晶的生长
聚乙烯在125℃等温结晶
球晶的生长过程
控制球晶大小的方法
球晶的大小对性能有重要影响：球晶大透明性差、 力学性能差，反之，球晶小透明性和力学性能好。
（1） 控制形成速度：将熔体急速冷却，生成较小 的球晶；缓慢冷却，则生成较大的球晶。 （2）采用共聚的方法：破坏链的均一性和规整性， 生成较小球晶。 （3）外加成核剂：可获得小甚至微小的球晶。
《2》折叠链模型 （50年代 A。Keller提出）
实验现象：电子显微镜观察到几十微米范围的PE单晶 测得晶片厚度约为100A，且与分子量无关 X衍射还证明分子主链垂直晶片平面
提出模型：分子链规则地折叠形成厚100A的晶片 晶片再堆砌形成片晶
可以解释：片晶、球晶的结晶形态 不能解释：单晶表面密度比体密度低
nl = 2dhklsinq
n=1, 2, 3, …称为衍射级数
q为衍射角
多晶样品的衍射花样
样品
铝箔的X-射线和电子射线衍射花样
X-射线衍射花样
电子射线衍射花样晶体样品的 Nhomakorabea射曲线2.1.2 聚合物在晶体中的构象
等同周期(或称纤维周期)：高分子晶体中， 在 c 轴方向化学结构和几何结构重复单元 的距离。
Row nucleation
(4) 串晶 Shish-kebab structure
较低温度下， 边结晶边搅拌
PE
i-PS
(5) 伸直链晶
聚合物在高压 和高温下结晶 时，可以得到 厚度与其分子 链长度相当的 晶片
Extended chain crystal of PE Needle-like extended chain crystal of POM
球晶结构示意图
环带球晶
聚乙烯
偏光显微镜下球晶的生长
聚乙烯在125℃等温结晶
球晶的生长过程
控制球晶大小的方法
球晶的大小对性能有重要影响：球晶大透明性差、 力学性能差，反之，球晶小透明性和力学性能好。
（1） 控制形成速度：将熔体急速冷却，生成较小 的球晶；缓慢冷却，则生成较大的球晶。 （2）采用共聚的方法：破坏链的均一性和规整性， 生成较小球晶。 （3）外加成核剂：可获得小甚至微小的球晶。
《2》折叠链模型 （50年代 A。Keller提出）
实验现象：电子显微镜观察到几十微米范围的PE单晶 测得晶片厚度约为100A，且与分子量无关 X衍射还证明分子主链垂直晶片平面
提出模型：分子链规则地折叠形成厚100A的晶片 晶片再堆砌形成片晶
可以解释：片晶、球晶的结晶形态 不能解释：单晶表面密度比体密度低
nl = 2dhklsinq
n=1, 2, 3, …称为衍射级数
q为衍射角
多晶样品的衍射花样
样品
铝箔的X-射线和电子射线衍射花样
X-射线衍射花样
电子射线衍射花样晶体样品的 Nhomakorabea射曲线2.1.2 聚合物在晶体中的构象
等同周期(或称纤维周期)：高分子晶体中， 在 c 轴方向化学结构和几何结构重复单元 的距离。
高分子材料的界面与表面性质研究
高分子材料的界面与表面性质研究高分子材料是一类具有广泛应用的材料，它们在各个领域中扮演着重要的角色。
然而，高分子材料的界面与表面性质对于其性能和应用有着至关重要的影响。
在这篇文章中，我们将探讨高分子材料的界面和表面性质的研究进展，以及其在材料科学领域中的意义。
一、界面性质的研究界面是指两个相互接触的材料之间的区域。
对于高分子材料而言，界面性质的研究对于了解材料的结构和性能起着至关重要的作用。
界面性质的研究方法主要包括界面力学性质、界面能量、界面结构等方面。
1. 界面力学性质界面力学性质是研究界面上力学行为的重要指标。
通过测量界面的剪切强度、界面屈服强度、弹性模量等参数，可以评估材料界面的稳定性和强度。
例如，通过拉伸实验可以测定高分子材料界面的断裂强度，以评估其在实际应用中的可靠性。
2. 界面能量界面能量是描述界面力量交换的重要参数。
通过测量界面的表面张力和界面能量，可以了解高分子材料与其他材料的黏附性和界面稳定性。
界面能量的研究可以帮助我们优化材料的界面结构，从而改善材料的性能和应用。
3. 界面结构界面结构指的是高分子材料与其他材料之间的结合方式和层次。
通过使用各种表征方法，如扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等，可以观察和分析高分子材料与其他材料界面的形貌和结构。
界面结构的研究有助于我们了解材料在界面处的相互作用机制，从而指导材料的设计和制备。
二、表面性质的研究表面性质是指高分子材料表面的特征和性质。
与界面性质类似，表面性质的研究也对于了解高分子材料的性能和应用具有重要意义。
表面性质的研究方法主要包括表面能、表面形貌等方面。
1. 表面能表面能是描述材料表面各个部分之间相互作用的能量。
通过测量材料表面的接触角，可以获得材料的表面能。
表面能的研究可以帮助我们了解高分子材料与其他物质的黏附性和润湿性，进而优化材料的表面处理方法。
2. 表面形貌表面形貌是指材料表面的形状、纹理和粗糙度等特征。
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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
：
= K b/M n 2 /3
(6 -1 5 )
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：
1 /4 1 /4 K s/M n (6 -1 6 )
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。
的方法，只能通过间接的方法或估算求取。
3.1.1 表面张力与温度的关系
●表面张力的本质是分子间的相互作用。因为分子间的相互 作用力因温度的上升而变弱，所以表面张力一般随温度的 上升而下降。
●对于液体的表面张力与温度的关系，早期的研究者Eotvos 曾提出如下的经验公式：
V 2 /3K (T C T ) (6 -温1 度)力T为C时零表。面张
基于高分子熔体表面张力测试技术上的困难，测试的结果肯定不如小 分子液体那样可靠，而且不同方法测试的结果可能会有较大差别。
●麦克劳德（ Macleod ）方程：
0n
ρ为密度，n为常数
lognlog A
0n
微分
dn0n1d n0nd
dT dT
dT
1 V
V1(V/T)p
dn
T
(6-6)
α为等压热膨胀系数
晶体的熔化：一级相变
在晶体熔化过程中，表面张力要发生突变。
玻璃化转变：二级相变
在玻璃化转变中，表面张力不发生突变。
σ与T关系外推法缺点
没有考虑聚合物相变的影响。随着温度的升高，非晶态的聚合物可以 从玻璃态转变为高弹态，晶态高聚物可从结晶态转变为熔融态。在相 变的过程必然会影响到表面张力的变化。
聚合物熔体粘度大，不易达到平衡；聚合物在高温下会发生氧化、热 降解、热聚合等反应，即使在惰性气氛中也难以完全避免，这都可能 影响测试的结果。所以应尽可能避免在过高的温度下测试，防止热降 解的发生。
第二章高分子材料的表界面
复习
1.表面张力概念及公式,表面张力热力学定义 2.润湿现象: 接触角概念 及测量方法 、Young
氏方程、粘附功及内聚功、 Young-Dupre 公式、接触角滞后原因 3、固体吸附： Langmuir 等温式及基本假定、 BET多分子层吸附理论
高分子材料表界面特性
合成纤维 表面的染色
3.1.2 表面张力与分子量的关系
●高聚物的性能与分子量的关系 性能：如玻璃化转变温度、热容、比热、热膨胀系数、折射 率、拉伸强度等。
XbXbKb/M n
Xb：聚合物的某种性能； Xb∞：分子量无穷大时的性能； Kb：常数； Mn：高聚物的数均分子量。
表面张力与分子量？
●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
11
=0
1TTc
9
微分
(6-3)
σ0为T=0K时的表面张 力，Tc为临界温度
公式适用于有机液体，但发 现也适用于高聚物体系
－ d110(1T)9 2
dT 9Tc Tc
(6-4)
T/Tc《1
d 常数
dT
正常温度范围内，表面张力与温度的关系呈直线关 系. 利用表面张力与温度的线性关系，外推该直线到室 温，可间接地测试固态聚合物的表面张力。
高聚物对其他 材料的粘接
涂料对金 属或木材 表面的涂 覆
意义
塑料薄膜 的印刷
塑料Hale Waihona Puke 面 的喷金高分子材料的表界面
3.1 高分子材料的表面张力 3.2聚合物与聚合物的相容性
高分子材料的表界面特性具有重要意义
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
● 等张比容具有严格的加和性，即物体的等张比容等于组成该物 质分子的原子或原子团和结构因素的等张比容（Pi)之和，它的 数值几乎不受温度的影响：
式中V为摩尔体积，TC为临界温度，K为常数。
临界温度就是某种气体能压缩成液体地最高温度，高于这个温度，无论多大压 力都不能使它液化。超临界流体(SCF)是指在临界温度和临界压力以上的流体。 SCF兼有气 液两相的双重特点，既具有与气体相当的高扩散系数和低粘度，又 具有与液体相近的密度和对物质良好的溶解能力。
利用表面张力与温度的线性关系，可间接地测试固态聚合物的表面张 力。虽然固体聚合物的表面张力不能直接测定，但是熔融聚合物的表 面张力还是可以测定的。在高温下使固态聚合物熔融，测定不同温度 T下熔融聚合物的表面张力，以对T作图可得一直线，外推该直线 到室温，即求出固态聚合物的表面张力。
相变对表面张力的影响
3.1.4 表面张力与分子结构的关系
●小分子化合物，表面张力与等张比容有如下关系
=(P/V)4 (6-17)
V为摩尔体积，P为等张比容
●高聚物修正为：
=(P/V )n (6-18)
其中n为Macleod指数，可近似取作4。
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 是温度和分子结构。
另外，外推法得到的表面张力是材料非晶态的数值。
3.1.3 表面张力与表面形态的关系
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。
● Ramsay和Shields的修正： 以（ TC -6 ）来代替TC ，即：
V 2 /3 K (T C T 6 ) (6 -2 )
对于许多液体来说，常数K基本上不变，其值约为 2.1×10-7J/℃
对于液态聚合物，σ与T的关系？
液态高聚物的表面张力随温度的变化也呈线性关系
● Guggenheim曾提出表面张力与温度的关系的经验式：
正烷烃的 ~ M-2/3关系
= K b/M n 2 /3
(6 -1 5 )
1 /4 1 /4 K s/M n (6 -1 6 )
例外：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。