表面张力的产生是因为液体表面分子受到不对称力的作用,在液体界面上受到的力与在液体内部受到的力不一样。
表面的分子具有较高的自由能,自由能定义为移动单位面积表面分子层所需的能量,表面张力的大小是用与液面上单位长度直线呈垂直方向的作用力来衡量的。
固体也存在相似的表面取向效应,具有表面自由能。
表面张力的作用使得液体的表面自由能变小,表面张力将液滴缩成球体,因为球体的表面积与体积的比最小。
表面张力推动不平整的液体发生流动,形成平整的表面,平整的表面与空气之间的界面面积要比粗糙表面小,因此表面越平整,表面自由能就越低。
具有低表面张力的分子链段会在表面定位,全氟烷基在表面形成最低的表面张力,其次是甲基基团。
聚二甲基硅氧烷具有低的表面张力,是由于高自由度、易旋转的硅烷键主链使大量的甲基基团在表面定位。
直链脂肪烃的表面张力随着链长度的增长而增大,表明在表面上亚甲基与甲基的比呈上升趋势。脂肪族化合物、芳香族化合物、酯和酮以及醇类的表面张力依次增大,如含有偶极基团的酮和含氢键的醇类物质也能提高表面张力,由于在表面不存在稳定分子间的偶极和氢键的相互作用,导致了较高的表面能。
酯、酮和醇的表面张力随链的增长而提高,也是由于亚甲基比甲基具有更高的表面张力。
表面张力随温度升高而变小。
水是涂料中表面张力最大的可挥发组分,它的表面张力在
25℃ 时为 72mN/m
100℃时为 59mN/m
在25℃时有机液体的表面张力的范围从全氟烃类的
10mN/m
到高极性物质丙三醇的
50mN/m
添加少量的表面活性剂能降低表面张力,这是由于表面活剂中的疏水部分聚集在表面。
决定涂料性能的主要表面张力可能不是平衡态的表面张力,而是动态表面张力。
定性来讲,当涂层中含有柔性分子、小分子,或体系中各组分的极性像水性涂料体系中那样存在较大差异时,就能够快速建立平衡,具有最低表面张力的潜在基团是聚合物,达到平衡需要较长的时间。但是如果聚合物具有中等分子量和柔性的主链,显然它们能快速达到表面,前面提到的聚二甲基硅氧烷就是一个例子,低分子量的聚丙烯酸辛酯共聚物可作为助剂来降低成膜过程中漆膜的表面张力。
各种表活剂达到表面张力平衡的速率是不同的,表面张力随温度降低而增大,通常溶剂的表面张力比树脂要低,因此由于浓度和温度二者的变化,漆膜的表面张力随着树脂液膜中溶剂的挥发而增大。
如果两种表面张力不同但能混溶的液体相互接触,表面张力低的液体会流动,并覆盖在表面张力高的液体上而,从而总的表面自由能减小,这样一种流动称为表面张力差异驱动流动,也称为表面张力梯度驱动流动。
总之,表面张力的作用能造成两种流动方式:第一种是由表面张力驱动的流动,会降低液体的表面积,第二种是由表面张力梯度驱动的流动,使一种表面张力低的液体去覆盖表面张力高的液体表面或其他表面。
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