什么是表面自由能?

表面自由能可以认为是表面张力固体的。表面自由能的单位是mN/m，相当于dynes/cm。表面自由能，简称SFE，产生于分子在空气-固体界面的相互作用。

表面自由能在许多应用领域都很重要。它规定了固体与液体接触时的行为。固体的表面自由能可以预测材料在放入人体时的行为或涂层配方如何在其上扩散。

固体和液体之间的相互作用在许多过程中都很重要，因为它们决定了两相之间的粘附性。固液相互作用由固体的表面自由能和液体的表面张力决定。当固体的表面自由能很高时，它通常很容易被任何液体(如油漆)润湿。

表面自由能不能直接测量。水接触角的测量单独表明固体的润湿，但表面自由能是表面分子间作用力的定量测量，与所用液体无关。通过知道固体的表面自由能，我们可以预测任何液体在表面上的行为。

表面自由能来自于分子间的相互作用

表面自由能一词描述了表面相对于材料本体的多余能量。在整体上，这些分子的两侧有相似的分子，并被均等地向各个方向拉伸。

这导致分子上的合力为零。然而，在气固界面上，分子只有在其一侧和下方有相似的相邻分子。与空气中分子的相互作用非常少，这导致固体界面有多余的能量。表面自由能的大小取决于分子之间的相互作用。在金属的情况下，由于金属原子之间的强金属键，表面自由能很高。在聚合物中，分子力通常要弱得多，因此聚合物的表面自由能很低。

最常用的表面自由能理论，OWRK，将表面分为极性和色散两部分。色散相互作用包括范德华力，如伦敦色散力、德拜感应力和基索姆定向力。极性相互作用是氢键和偶极-偶极相互作用。极性相互作用可进一步分为酸组分和碱组分。

水接触角给出了估算值，但定量表面自由能需要建模

固体的表面自由能可以通过水接触角的测量来预测。如果水在固体表面扩散，则表面自由能较高，而如果水向上凝聚，则表面自由能较低。在干净的玻璃表面，水的接触角通常很低，而在聚合物表面，水的接触角很高。

水接触角测量不能给出表面自由能的数值。来计算表面自由能，需要用至少两种探针液体进行测量。表面自由能的计算是基于液体和固体之间的界面张力的建模。界面张力模型建立在几种理论的基础上。现代接触角测量软件通常可以根据不同的理论模型给出SFE值。

要阅读更多关于表面自由能测量和背后的理论，请下载下面的概述。