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1、表面能計算原理說明表面能為固體與氣體間之界面張力的一般定義,如同液體的表面張力為液體與氣體間之界面張力以表示,同樣的固-氣間的界面張力以表示,然而表面能雖然可明確被定義,然而卻無法如液體一樣被直接測量.由楊氏熱力平衡方程式如下:=+:固體表面能,:液體表面張力,:固-液間界面張力,:接觸角上述方程式右邊及可由儀器測量而得,然而尚有兩個未知數,因此無法直接算出表面能,因此表面能並無所謂正確或標準值,只能由一些模型中提供另一組方程式以便求出,這些模型皆有假設條件,因此所算出的結果只能算是表面能近似值.目前常用的模型如下:1.ZismanPlot(criticalwettingtension)
2、2.Fowkes3.Owens-Wendt-Rabel-Kaelble(OWRK)4.ExtendedFowkes5.Wuharmonicmean6.Equation-of-state7.Lewisacid/basetheory使用上述方法各別計算,可能得到之結果彼此有高達25%的差異,然而每種方法皆有其適用的表面固體,然而卻無所謂正確或標準值,雖然如此,表面能仍具有原理的基礎性,可如液體表面張力般具備客觀性,同時對於一般所適用的模式,其誤差還是在可接受的範圍內.臨界表面張力-ZismanPlot由楊氏熱力平衡方程式如下:=+其中::接觸角,:固體表面能,:液體表面張力,:固-液間界面張
3、力適用:表面能<100mN/m(低能表面)的固體表面,液滴在表面形成的接觸角主要是液體表面張力的函數,對於給定的固體表面和同系列的相關液體(如烷?二烷基脂和烷基鹵化物),與有近似線性關係.對於非極性液體,關係十分相符,然對於高表面張力的極性液體,關係並不十分符合,直線開始彎曲.從對的曲線中,在=1時,可以得到固體的表面張力,稱為潤濕臨界表面張力,它的定義是指液體剛好鋪展到固體表面產生完全潤濕時的表面張力,即時,液體將鋪展,當時,液體將形成液滴,具有非零接觸角. Fowkes方法假定:液體及固體表面張力可分為色散力和極性作用力,若固液兩相中有一相是非極性,則固液之間只有色散力相互作用,無極
4、性作用力:;無極性作用力,則Ip=0.即或式中和分別表示固體和液體表面張力的色散力部份.根據(1.4),對作圖得一直線,其斜率為,從直線斜率可得到固體的值.對於非極性固體,,故用Fowkes方法,可得到非極性固體的表面能.對於非極性液體,也有,根據(1-4)式,可得出下式:當時,用Zisman方法得到的非極性固體臨界表面張力可表徵其固體的表面能. Owens-Wendt-Rabel-Kaelble(OWRK)Method假定:分子色散力(disperse)和極性力(polar)為各自獨立作用且合力可加總測試液體數量:n>=2 ExtendedFowkesMethod假定:分子色散力(di
5、sperse),極性力(polar)及氫鍵力(hydrogen-bond)為各自獨立作用且合力可加總測試液體數量:n>=3 Wu(harmonicmean)方法1.使用倒數平均法計算不同分子間的作用力2.不僅考慮色散力,也同時考慮分子間極性作用力的影響.得到下列公式:式中表示表面張力的極性影響力,和分別表式固體表面能和液體的表面張力,故只要測兩種或兩種以上極性不同的液體在固體表面的接觸角,解聯立方程式,即可得出固體表面能和值. Equation-of-State(Neumann)假定:固體,液體表面張力和固液界面張力間存在某種關係,且表面張力及界面張力並非各種作用力之加總結果·[1]·[
6、2]·Young’sEq.:IncombinationwithEq.[2],thefollowingequation-of-statewasderived:·[3]·ThevalueofisdeterminedusingtheNewton'sroutinefromEq.[3].·測試液體數量:n=1Acid-Basemethod假定固體表面自由能藉由三大項所組成：非極性項(分散力項)、路義士酸(Lewisacid)項、。路義士酸鹼對(Lewisacid-base)交互作用，意指電子排斥者與電子接納者間的交互作用，前者大部分系統由於氫鍵所造成。(i.e.GoodandGirifalcoeq
7、uation)………………………………(1)其中為非極性項，理夫緒茲-凡德瓦爾力(Lifshitz-vanderWaals)，為電子接受者，而為電子排斥者間的作用力。方程式(1)若為固體與液體間的表面自由能交互作用力則可表示成：(i.e.vanOssetal.approach)………………………(2)然而，利用Young’sequation：…………………………………………………………(3)和黏著濕潤之自由能按照Dupre’equa
