织物表面能计算公式的局限性.pdf

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1、第2 6 卷第5 期 2 0 0 5 年l O 月 纺织学报 J o u m a l0 f7 r e x t i l eR e s e a r c h V 0 1 2 6 N o 5 O c t 2 0 0 5 织物表面能计算公式的局限性 狄剑锋 ( 五邑大学纺织服装系，广东江门5 2 9 0 2 0 ) 摘要织物表面能的计算公式0 w e n s 二液法、O w e n s 三液法、N e u m a n n 法、F o r k e s 法和V a f l0 s s 法在国际上被广泛 使用，但研究发现，它们都存在一定的局限性。这5 种表面能计算方法均可用于表面能大于2 0n 彤m 2 的情况

2、，但对 于表面能小于2 0r n J ，m 2 的表面，最好选用N e u m a n n 法计算。 关键词表面能；计算公式；局限性；织物 中图分类号：髑1 0 1 9 2 3文献标识码：A文章编号：0 2 5 3 9 7 2 1 ( 2 0 0 5 ) 0 5 0 0 4 3 0 3 L i I I l i t a t i o no ft h ef o m l n 嬲f o rf a b r i cs u r f a c ee 玳r g y D IJ i a n f e n g ( 却o n M m 旷7 h f 池。删c z o 棚，l g ，眄i 洳瑙妙，五n ，移M n ，G 眦，咖n

3、 g5 2 9 0 2 0 ，西；) A b s t n c tC o m p u t a t i o nf o m u l a sf o r 胁r i cs u 血c ee n e r g y ，s u c ha s0 w e n sw i t h21 i q u i d sa n dw i 山3l i q u i d s ，N e u m 舢，F o r k e sa n d V a nO s sm e t l l o d s ，w e r eu s e d “d e l yi nt l l ew o d d H o w e v e r ，i ti sf o u n db yt h er

4、e s e a r c ht h a tt h e ya h a V es o m el i m i a t i o n si n p r a c t i c a lu s e W h e nt h ef a b r i cs u 如c ee n e r g yi sm o r et 1 1 a n2 0m J m 2 ，a l lt h e5f 0 瑚I l l 髂a r ea p p l i c a b l e ，b u “ft I l es u 如c ee n e r g yi s l e s st h a n2 0 耐，m 2 ，i ti sb e t t e r t oc h 0 0

5、 s eN e u m a I l nf o 珊u l af o rc o m p u t a t i o n K e yw o r d s s u 血c ee n e r g y ；f 0 肿u l a ；1 i m i t a t i o n ；胁r i c 表面能是表征织物拒水拒油性能的重要指标， 但不能直接测量，只能通过接触角来计算。常用的 表面能计算公式主要有O w e n s 二液法、O w e n s 三液 法、N e u m a I l n 法、F o r k e s 法和V a I lO s s 法等，但在研 究中发现，5 种计算方法都存在一定的局限，在使用 时要根据实际情况

6、选择应用。 1o w e 瑚二液法的局限性 理论和实验都证明，液体在织物表面的接触角 越大，织物的表面能就越小，液体就越容易成球而滚 落，拒水拒油的作用就越强n 。但在用O w e n s 二液 法计算织物的表面能时发现，接触角大时，表面能并 不一定小。 以甘油和二碘甲烷为测试液，当二碘甲烷的接 触角臼：固定为6 0 。，甘油的接触角p ，从6 5 。到9 0 。变 化时，表面能y 。在8 ，为7 9 。时为极小值，如图1 所示。 从图1 看出，当甘油的接触角大于7 9 。时，表面 能会随着甘油的接触角增大而增大。这与润湿理论 不相符，也与表面能和接触角的关系相矛盾。 图1O w e n s

7、二液法表面能7 。随口l 的变化曲线 例如，当二碘甲烷的接触角臼：为6 0 。时，甘油的 接触角口9 0 。时应该比6 5 。时的拒水拒油性能好，表 面能应该比较低，但计算结果正好相反。 2O w e m 三液法、F o r k e s 法、V a no s s 法的局 限性 在O w e n s 三液法、F o r k e s 法、V a n0 s s 法的表面能 计算公式中，都有) ，( 1 + c o s 日) 项，所以都有类似 O w e n s 二液法存在的问题，在使用上都有一定的局 限性。 基金项目：广东省自然科学基金资助项目( 0 2 1 3 6 ) ；广东省教育厅自然科学基金资

8、助项目( z 0 3 0 7 3 ) 作者简介：狄剑锋( 1 9 5 6 一) ，男，教授，博士。主要从事纺织新材料和新技术的研究。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 【4 4 】纺织学报2 0 0 5 年第5 期 2 1o w e 璐三液法 使用O w e n s 三液法计算表面能时，如果二碘甲 烷的接触角口：固定为6 0 。，F o 珊a I I l i d e 的接触角口， 固定为7 0 。，其表面能与甘油的接触角口。之间的关 系如图2 所示。

9、 f 昌 翟 ￥ 罐 恒 榔 图2O w e n s 三液法表面能与甘油接触角口1 的关系 从图2 看出，O w e n s 三液法也存在与O w e n s 二液 法相同的问题，当甘油的接触角p ，为7 3 。时，表面能 取得极小值。甘油的接触角口为9 0 。时的表面能反 而比口。为7 3 。时的还要大，这与理论和实验结果都 不相符。 2 2F o r k e s 法 当用F o r k e s 法计算表面能时，如果使二碘甲烷 的接触角口：为6 0 。，那么表面能与甘油的接触角口。 之间的关系如图3 所示。 4 0 譬3 5 瞽，o 僻 2 5 O U7 2拼9 6 儿堪I Z U1 3 2

10、 9 l ，( 。) 图3F o r k e s 法表面能与甘油接触角口。的关系 从图3 看出，F o d 【e s 法也存在与O w e n s 二液法相 同的问题，当甘油的接触角口，为8 7 。时，表面能取得 极小值。甘油的接触角p 。为1 2 0 。时的表面能反而 比口为8 7 0 时还要大，这是与理论和实验结果都不 相符。 2 3v a no 鼹法 使用V a nO s s 法计算表面能时，如果二碘甲烷 的接触角口：固定为5 0 。，F o n n a i l l i d e 的接触角口，固 定为5 5 0 ，那么，表面能与甘油的接触角口，之间的关 系如图4 所示。 从图4 看出，V

11、a nO s s 法也存在与O w e n s 二液法 相似的问题，而且会出现2 个极值，当甘油的接触角 图4V n0 s s 法表面能与甘油接触角日l 的关系 臼为6 3 7 0 和6 5 7 0 时，表面能取得极小值，这就与理 论和实验结果相差更远了。 3N e u m 锄n 法的局限性 N e u m a n n 法的推导与前4 种公式不同，它是建 立在热力学的基础上，用状态方程逼近3 1 ，所以没有 极值问题。N e u m a n n 法存在的最大问题是用极性液 体计算的表面能普遍比较小，而用非极性液体计算 的表面能普遍比较大。当用非极性液体计算时，其 值比较接近于其它几种计算方法。

12、 用N e u m a n n 法计算表面能，如图5 ，6 所示。不 论选择何种液体，表面能永远随着接触角增大而 降低。 f g 童 ￥ 稿 陶 懈 图5 N e 一法表面能与二碘甲烷接触角口2 之间的关系 f 暑 喜 ￥ 勰 恒 槲 D l ( 。) 图6N e u n m n 法表面能与甘油接触角口。之间的关系 4 表面能公式的适用范围 根据理论分析，液体在织物表面的接触角越大， 织物的表面能就越小，拒水拒油的效果就越好。因 此，表面能随接触角增大而增大是不符合理论和实 际情况的。所以，在图1 4 的曲线中，只有在极小 帖巧巧加坫m；O 帖弘巧加：。m，0 万方数据 PDF Waterma

13、rk Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 2 0 0 5 年第5 期纺织学报【4 5 】 值之前的曲线部分是可以用的，是可选部分，极小值 之后的曲线部分是不可用的，是不可选部分。对于 表面能大于2 0 耐，m 2 的表面，一般不会超过可选部 分，用0 w e n s 二液法比较合适，因为既考虑极性液 体，也考虑非极性液体，计算工作量也不太大。对于 表面能小于2 01 1 1 J m 2 的表面，接触角比较大，容易超 出可选区，最好使用N e u r 啪n 法。 图1 5 仅仅是每一种计算公

14、式的一个特例，要 求出每种算法的适应范围，必须作进一步的推导。 下面以0 w e n s 二液法为例，推导其适应范围。O w e n s 二液法的计算公式如下： ) ，L 1 ( 1 + c o s 日。) = 2 y ；yD 1 + 2 y ：y ：， ( 1 ) y k ( 1 + c o s 口：) = 2 y ；) ，：+ 2 y ；) ，： ( 2 ) ) ，s = y ；+ y ： ( 3 ) 式中，y 。为固体表面能，可以分解为色散力y ；项和 极性力y ；项；y 。为液体表面能，也可以分解为色散 力y ：项和极性力y ：项。下标1 和2 分别表示第一 种和第二种测试液体。口。和

15、口：分别表示液体1 和 2 在固体表面的接触角。 用上式求出y 。的表达式，然后令口：为常数，对 臼求导数，并令导数等于零，求出当y 。取极小值时 的p ，为： 一凳 瓜+ 瓜 y ：+ y ： 1 ( 1 + c o s 口2 ) 一1 ( 4 ) 每给出一个口：，就可求出一个臼。，图7 为y 。取 极小值时口。和臼：的关系图。 图7O w e n s 二液法口l 和口2 的关系 在图7 中，曲线表示固体表面能的极小值，曲线 以下的部分是与一般规律相一致的，在臼：一定时， p 。越大，表面能越低，是可选区域；但在曲线以上， 当臼：一定时，口，越大，表面能越高，这与表面能的 规律不符，是不可选

16、区域。 所以，0 w e n s 二液法的使用是有条件的。从图7 看出，当日：比较小时，口。和臼：的差比较大，所以，一 般低能表面都在可选区内。但随着口：的增大，口。 与以的差越来越小，一些表面能特别低的固体，就 会位于曲线之上，得出与实际不相符的结论。例如， 在氟碳化合物涂层织物上，用甘油和二碘甲烷测试 其接触角，并计算表面能，结果如表1 所示。 表l 接触角大于极值后表面能与接触角的关系 从表1 看出，2 号样品的2 种液体的接触角都 比1 号样品大，但用O w e n s 二液法计算的2 号样品 的表面能却比1 号还高。3 号样品的2 种液体的接 触角也比1 号大，但O w e n s

17、法计算的表面能比1 号 还大。这显然是错误的。所以，O w e n s 二液法的使 用范围是有限的。超出图7 的可选区范围，就会得 出错误的结论。 其它几种表面能的计算方法，也可以采用以上 方法求出通用的可选择区域和不可选择区域。 5 结论 O w e n s 二液法、O w e n s 三液法、N e u m a n n 法、 F o r l 【e s 法和V a nO s s 法5 种织物表面能的计算公式， 在国际上被广泛使用，已经被编成固定程序作为接 触角测量仪的一部分当商品出售，但这5 种公式都 存在一定的局限性，应该选择应用。这5 种表面能 计算方法都可以用于表面能大于2 0I I

18、l J m 2 的情况， 但对于表面能小于2 0n 1 J m 2 的情况，最好选用 N e u m a J l n 法计算。 参考文献： 1 w us c o n t a c ta n d e so fl i q l l i d s0 ns o l i dp 0 】y m e r s J P o l y m e r I n t e 血c ea n dA d h e s i o n ，1 9 8 2 ，( 4 ) ：1 6 2 2 D IJ i a n f e “g ，P e r w l l e l zV ，G u 。g I I e n An e wm e t h o do fs t a b

19、i l i z i “gt h e s u r f a c ee n e 。科0 ff a b r i c sc o a t e dw i t hn u o m c a r b o nr e s i n s ，p a n1 J 耽eJ o I l r I I a lo ft h eT e x t i l eI n s t i t u t e ，2 0 0 2 ，9 2 ( 2 ) ：1 7 3 一1 7 7 3j L iDE ，M o yAW N e u l 粕n ，ar e f 0 咖t I l a d 仰0 ft h ee q I l 砒i o no fs t a t e f o r i n t e r f a c i a l t e n s i o n l J J JC o l l I n t e r f a c eS c i ，1 9 9 0 ，1 3 7 ：3 0 4 3 0 7 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark