表(biao)面張力(li)

要(yao)(yao)(yao)理解(jie)表(biao)面(mian)(mian)張力需要(yao)(yao)(yao)深(shen)入(ru)理解(jie)“相(xiang)(xiang)(xiang)”這個概念，在物(wu)理化學(xue)(xue)里，簡(jian)單(dan)地(di)說，相(xiang)(xiang)(xiang)就由均勻(yun)物(wu)質(zhi)(zhi)組(zu)成(cheng)，擁(yong)有均勻(yun)的(de)物(wu)理與化學(xue)(xue)性質(zhi)(zhi)。不同相(xiang)(xiang)(xiang)之間就會(hui)用(yong)相(xiang)(xiang)(xiang)界(jie)(jie)(jie)。表(biao)面(mian)(mian)就是(shi)(shi)相(xiang)(xiang)(xiang)界(jie)(jie)(jie)的(de)一種，再簡(jian)單(dan)說就是(shi)(shi)兩(liang)個“區域(yu)”邊(bian)(bian)(bian)界(jie)(jie)(jie)（境）線(xian)。我們很容易理解(jie)，邊(bian)(bian)(bian)界(jie)(jie)(jie)線(xian)的(de)性質(zhi)(zhi)和意(yi)義，肯定是(shi)(shi)和邊(bian)(bian)(bian)界(jie)(jie)(jie)內部的(de)是(shi)(shi)不同，尤(you)其是(shi)(shi)在科(ke)學(xue)(xue)領域(yu)，因為這個領域(yu)特別講(jiang)條件，所定義的(de)條件也是(shi)(shi)絕不模(mo)棱(leng)兩(liang)可(ke)(ke)，這就使得邊(bian)(bian)(bian)界(jie)(jie)(jie)部分比(bi)較特殊，它(ta)的(de)特性可(ke)(ke)能(neng)符合(he)(he)邊(bian)(bian)(bian)界(jie)(jie)(jie)左邊(bian)(bian)(bian)，也可(ke)(ke)能(neng)符合(he)(he)邊(bian)(bian)(bian)界(jie)(jie)(jie)右(you)邊(bian)(bian)(bian)，也可(ke)(ke)能(neng)都(dou)不符合(he)(he)。所以表(biao)面(mian)(mian)科(ke)學(xue)(xue)呼之而(er)出，它(ta)在物(wu)理化學(xue)(xue)領域(yu)通常要(yao)(yao)(yao)單(dan)獨討論。

表面(mian)張力(li)(li)就(jiu)是因為表面(mian)（相界(jie)）兩邊(bian)分子(zi)間作用(yong)力(li)(li)不同而引起的(de)(de)(de)，為什么會(hui)不同呢？因為是不同的(de)(de)(de)相，就(jiu)比(bi)如氣(qi)液(ye)（水(shui)）兩相，一(yi)邊(bian)分子(zi)密度大(da)，一(yi)邊(bian)分子(zi)密度小(xiao)，所(suo)以交界(jie)面(mian)上的(de)(de)(de)分子(zi)，在水(shui)一(yi)側就(jiu)可能受(shou)到更多的(de)(de)(de)作用(yong)力(li)(li)，比(bi)如氫鍵，整(zheng)體效果就(jiu)是，這個“更多的(de)(de)(de)作用(yong)力(li)(li)”使(shi)得(de)液(ye)體有(you)種自(zi)發的(de)(de)(de)傾向，要(yao)把自(zi)己的(de)(de)(de)收縮(suo)起來，縮(suo)到能平衡掉這部分多出來的(de)(de)(de)作用(yong)力(li)(li)。

一、什么是表面張力

表(biao)面張力(li)(li)(li)是使液(ye)(ye)體(ti)表(biao)面收(shou)縮的(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)種力(li)(li)(li)，是表(biao)層分(fen)子之間(jian)相互吸(xi)(xi)引(yin)(yin)(yin)(yin)產生的(de)(de)(de)(de)(de)。分(fen)子間(jian)力(li)(li)(li)稱為范德華(hua)力(li)(li)(li)，同時包含吸(xi)(xi)引(yin)(yin)(yin)(yin)力(li)(li)(li)和(he)排斥(chi)力(li)(li)(li)。當(dang)液(ye)(ye)體(ti)不受外力(li)(li)(li)時，內部(bu)分(fen)子間(jian)也處于(yu)平衡(heng)的(de)(de)(de)(de)(de)不受力(li)(li)(li)狀態，即吸(xi)(xi)引(yin)(yin)(yin)(yin)力(li)(li)(li)和(he)排斥(chi)力(li)(li)(li)相等(deng)，分(fen)子們靠近一(yi)點(dian)就(jiu)(jiu)體(ti)現(xian)出排斥(chi)力(li)(li)(li)，遠離一(yi)點(dian)就(jiu)(jiu)體(ti)現(xian)出吸(xi)(xi)引(yin)(yin)(yin)(yin)力(li)(li)(li)。而在(zai)液(ye)(ye)體(ti)表(biao)面上，經常有些能量高的(de)(de)(de)(de)(de)分(fen)子掙脫了其他分(fen)子的(de)(de)(de)(de)(de)吸(xi)(xi)引(yin)(yin)(yin)(yin)力(li)(li)(li)而逃(tao)脫，這(zhe)就(jiu)(jiu)是液(ye)(ye)體(ti)的(de)(de)(de)(de)(de)氣(qi)化。在(zai)這(zhe)種作(zuo)用下，液(ye)(ye)體(ti)表(biao)層分(fen)子間(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)距離比內部(bu)分(fen)子間(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)距離更大一(yi)些，分(fen)子間(jian)體(ti)現(xian)為拉(la)力(li)(li)(li)，這(zhe)就(jiu)(jiu)是表面張力。表面張力的存在使(shi)液(ye)體表面趨向(xiang)于(yu)面積最小，使(shi)液(ye)滴(di)傾向(xiang)于(yu)呈球(qiu)形。這(zhe)下(xia)明白為什(shen)么水(shui)滴是球形(xing)的了吧，其(qi)原因就是因為表(biao)面張力(li)(li)，要是沒有表(biao)面張力(li)(li)，那水(shui)滴的形(xing)狀(zhuang)千奇百怪，可(ke)能是方(fang)的，三角形(xing)、橢圓(yuan)形(xing)等等。

二、對表面張力的理解

表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)張力(li)的(de)(de)(de)大小(xiao)取決于液體(ti)的(de)(de)(de)性質和(he)環境條件。一般來(lai)說，表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)張力(li)隨著(zhu)液體(ti)的(de)(de)(de)分子間(jian)吸引(yin)力(li)增強(qiang)而增加，隨著(zhu)溫度的(de)(de)(de)升高而減小(xiao)。簡(jian)單粗暴(bao)理解，表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)張力(li)越(yue)小(xiao)的(de)(de)(de)液體(ti)，越(yue)容易被(bei)“侵犯”，表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)張力(li)越(yue)大的(de)(de)(de)液體(ti)“越(yue)犟，不容易被(bei)侵犯 ”，表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)張力(li)的(de)(de)(de)這種(zhong)特性，在生活(huo)中(zhong)有(you)很多應用。

1. 清(qing)潔(jie)劑和(he)肥皂：在洗滌(di)過(guo)程中，清(qing)潔(jie)劑和(he)肥皂能夠降(jiang)低水(shui)的表面張力，使其更容(rong)易滲透到污垢和(he)油脂中，從而更有效(xiao)地清(qing)潔(jie)物體表面。

2. 水(shui)(shui)(shui)滴(di)形狀(zhuang)：表(biao)(biao)(biao)面(mian)張力(li)使(shi)得水(shui)(shui)(shui)滴(di)呈現球形。這是因為表(biao)(biao)(biao)面(mian)張力(li)使(shi)得水(shui)(shui)(shui)分子在表(biao)(biao)(biao)面(mian)上相互吸引，使(shi)得水(shui)(shui)(shui)滴(di)盡可能小，從而減小表(biao)(biao)(biao)面(mian)積(ji)。

3. 吸水紙(zhi)的(de)(de)作用(yong)原理：毛(mao)細(xi)管現象是表(biao)面(mian)張力的(de)(de)重要(yao)應用(yong)之一(yi)。當將一(yi)根細(xi)小的(de)(de)管子（如玻璃(li)毛(mao)細(xi)管）插入液(ye)體(ti)(ti)中時，液(ye)體(ti)(ti)會上升或下降(jiang)到比容器中液(ye)體(ti)(ti)水平更高(gao)或更低的(de)(de)位(wei)置。這是因為(wei)表(biao)面(mian)張力使液(ye)體(ti)(ti)在(zai)細(xi)小管道(dao)中形成(cheng)了一(yi)個上升或下降(jiang)的(de)(de)力。

玻璃板上的(de)(de)(de)水銀滴(di)基本上呈球形(xing)，這(zhe)是因為水銀滴(di)外表(biao)面薄層內所有(you)分子都處在高勢(shi)能狀態。計算表(biao)明，如使分子總勢(shi)能為極小，則(ze)表(biao)面必(bi)定呈圓(yuan)球形(xing)。如果設(she)法消除重(zhong)(zhong)力(li)的(de)(de)(de)影(ying)響，例如把液滴(di)放在比重(zhong)(zhong)相同(tong)又與液滴(di)不起化學反應的(de)(de)(de)另一(yi)種液體中(zhong)，或在真空中(zhong)自由下落，或在失重(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)人(ren)造衛星與火(huo)箭的(de)(de)(de)環境中(zhong)，則(ze)液滴(di)將呈現理(li)想的(de)(de)(de)球形(xing)。球面形(xing)的(de)(de)(de)肥皂泡(pao)，荷葉(xie)上的(de)(de)(de)球形(xing)露珠，也可以用相同(tong)的(de)(de)(de)道(dao)理(li)來(lai)解釋。

三、表面(mian)張力在(zai)涂(tu)料中的(de)應用

1. 涂(tu)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)流平(ping)(ping)(ping)性(xing)：涂(tu)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)流平(ping)(ping)(ping)性(xing)是指涂(tu)料(liao)(liao)在(zai)涂(tu)覆物(wu)表面上均勻分布(bu)的(de)(de)(de)能力(li)。如(ru)果涂(tu)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)表面張力(li)過(guo)高，它會形成凸起的(de)(de)(de)表面，導致涂(tu)層不平(ping)(ping)(ping)整。通(tong)過(guo)調整涂(tu)料(liao)(liao)中的(de)(de)(de)表面活性劑，可以降低表(biao)(biao)面(mian)張力，使涂(tu)料(liao)更容易(yi)均勻(yun)分布在表(biao)(biao)面(mian)上，從(cong)而提高(gao)涂(tu)料(liao)的流平性。

2. 防(fang)止涂料分(fen)散：在涂料中添加(jia)表(biao)面活性劑可以(yi)降低液體(ti)顆粒之間的表(biao)面張力，從而防(fang)止涂料分(fen)散。這(zhe)可以(yi)確保涂料中的顏料和(he)填(tian)料均勻分(fen)布，并提供更(geng)好(hao)的覆蓋力和(he)色彩一(yi)致(zhi)性。

3. 提高涂(tu)層附(fu)著力(li)：表面(mian)張(zhang)力(li)的適當調整可以幫助涂(tu)料(liao)更好地(di)附(fu)著在基(ji)材(cai)表面(mian)上(shang)。通(tong)過降低表面(mian)張(zhang)力(li)，涂(tu)料(liao)能夠更好地(di)滲透到(dao)基(ji)材(cai)的微小孔隙中(zhong)，并與基(ji)材(cai)表面(mian)形成更緊密的結合(he)，提高涂(tu)層的附(fu)著力(li)和耐久性。

4. 減少(shao)涂(tu)(tu)料的(de)起(qi)泡(pao)(pao)：涂(tu)(tu)料中的(de)氣泡(pao)(pao)和(he)起(qi)泡(pao)(pao)問題(ti)可能導致涂(tu)(tu)層表面(mian)不平整(zheng)。表面(mian)張(zhang)力的(de)適當調整(zheng)可以(yi)減少(shao)涂(tu)(tu)料中氣泡(pao)(pao)的(de)形(xing)成，從而改善涂(tu)(tu)層的(de)外觀和(he)質量。

5. 涂料分散劑：涂料(liao)(liao)中的(de)顏料(liao)(liao)和(he)填料(liao)(liao)往(wang)往(wang)是以(yi)顆(ke)粒形(xing)式存(cun)在(zai)的(de)，容(rong)易發生團聚。通過添加表面活性劑作為(wei)分散劑，可以(yi)降低顆(ke)粒之間的(de)表面張力(li)，使顆(ke)粒更好地分散在(zai)涂料(liao)(liao)中，提高涂料(liao)(liao)的(de)穩定性和(he)均(jun)勻性等。

四、為什么念叨表面(mian)張力

所以，通過以上的例子明白為什么現在的涂料工程師嘴里一直講降低表面張力了吧。因為，隨著水性漆的不斷發展，很多企業都在油改水，由油性漆改換水性漆，而原來的油性漆中各種溶劑的表面張力都集中在20-40之間，唯獨水的(de)表(biao)面張力(li)(li)系數72.8mN/m(20℃)，所以明(ming)(ming)白水性漆的(de)難度為(wei)什么比較大，而現在的(de)涂料工程師為(wei)什么都嘴里念叨降低表(biao)面張力(li)(li)了吧(ba)，因(yin)為(wei)那(nei)是很犟(jiang)很犟(jiang)的(de)，如果(guo)你還沒明(ming)(ming)白，那(nei)收下(xia)一張溶劑(ji)表(biao)面張力(li)(li)參數表(biao)看(kan)吧(ba)！

表面活性劑和HLB值

1. 表面活性(xing)劑分(fen)類（大體如下圖）

2、O/W、W/O是啥？

乳化體中(zhong)以液珠或其他形式被(bei)分散(san)的一相，稱為分散(san)相（或稱內相、不連(lian)續相）；另一相是(shi)連(lian)成(cheng)一片(pian)的，稱為(wei)分(fen)散(san)介(jie)質（或稱外相、連續(xu)相）。

外相為“水(shui)”，內相為“油”的乳化體(ti)叫作(zuo)水(shui)包油型乳化體(ti)，以(yi)O/W表(biao)示。

外相為“油”，內相為“水”的乳化體稱為油包水型乳化體，以W/O表示。

3、親水親油平衡值HLB

表面活性劑分子中親水(shui)和(he)親油基團對油或(huo)水(shui)的綜合親和(he)力稱(cheng)為(wei)親水(shui)親油平衡值( hydrophile-lipophile balance , HLB)

將表面活(huo)性(xing)劑的(de)(de)HLB值(zhi)范圍(wei)限定(ding)在(zai)0~40,其中非離子(zi)表面活(huo)性(xing)劑的(de)(de)HLB值(zhi)范圍(wei)為(wei)0~20,即完(wan)全(quan)由疏水碳(tan)氫基團組(zu)成(cheng)的(de)(de)石蠟分子(zi)的(de)(de)HLB值(zhi)為(wei)0,完(wan)全(quan)由親水性(xing)的(de)(de)氧(yang)乙(yi)烯(xi)基組(zu)成(cheng)的(de)(de)聚氧(yang)乙(yi)烯(xi)的(de)(de)HLB值(zhi)為(wei)20,既有碳(tan)氫鏈(lian)又有氧(yang)乙(yi)烯(xi)鏈(lian)的(de)(de)表面活(huo)性(xing)劑的(de)(de)HLB值(zhi)則介于兩(liang)者之(zhi)間(jian)。

HLB值越高親水(shui)性越強(qiang)，反(fan)之，親油性強(qiang)。

筆記(ji)：

HLB值(zhi)在3~6的(de)表面活性(xing)劑(ji)，適合做W/O型乳化劑(ji);

HLB值在8~18的(de)表(biao)面活性劑，適合做O/W型乳化劑。

作為(wei)增(zeng)溶(rong)劑的(de)HLB值在(zai)13 ~ 18 ,作為(wei)潤(run)濕劑的(de)HLB值在(zai)7 ~9，作為(wei)去污劑的(de)HLB值在(zai)13~16，如下圖。

4、臨(lin)界膠束濃度(du)CMC

表(biao)面活性劑分子(zi)締合形成膠束(shu)的最低(di)濃度，為臨界膠束(shu)濃度(critical micell concentration, CMC)。CMC時，溶液(ye)的表面(mian)張力幾(ji)乎(hu)最低。

表面活性劑的形態如下：

注意：在高濃度的(de)表面活性劑水溶液(ye)中，如有少量非極性溶劑存(cun)在，則可能形成反向(xiang)膠束（親(qin)水集團(tuan)向(xiang)內(nei)，親(qin)油集團(tuan)向(xiang)外(wai)）。油性(xing)表面活性(xing)劑也可形(xing)成反向膠束。

轉載(zai)自(zi)：化工(gong)好(hao)料到

來源：表面活性劑發展(zhan)中心