液(ye)(ye)體(ti)(ti)對(dui)固(gu)體(ti)(ti)的(de)可(ke)潤濕性與二者(zhe)表(biao)(biao)面(mian)能(neng)的(de)大小(xiao)有關，當液(ye)(ye)體(ti)(ti)潤濕固(gu)體(ti)(ti)時，液(ye)(ye)體(ti)(ti)表(biao)(biao)面(mian)張力越小(xiao)、固(gu)體(ti)(ti)表(biao)(biao)面(mian)能(neng)越高，一(yi)般液(ye)(ye)體(ti)(ti)越易(yi)于在(zai)該固(gu)體(ti)(ti)表(biao)(biao)面(mian)鋪展。在(zai)粘接(jie)、涂(tu)覆或印刷時，需要固(gu)液(ye)(ye)間良好(hao)的(de)潤濕性和相應較高的(de)固(gu)體(ti)(ti)表(biao)(biao)面(mian)能(neng)；在(zai)腐蝕和防霧等應用(yong)場景，則需要較低的(de)固(gu)體(ti)(ti)表(biao)(biao)面(mian)能(neng)。因此固(gu)體(ti)(ti)表(biao)(biao)面(mian)能(neng)的(de)測(ce)量，在(zai)涂(tu)料、膠結、復(fu)合材料、3D打印等領(ling)域具有重要的(de)實用(yong)意義。

固體(ti)表面(mian)(mian)能(neng)(neng)的測定(ding)可以利用接觸角法(fa)，根(gen)據楊氏(shi)方程，固液(ye)接觸角θ，液(ye)體(ti)表面(mian)(mian)張力γl，固液(ye)界面(mian)(mian)張力γsl以及固體(ti)表面(mian)(mian)自由能(neng)(neng)γs之間存在以下關系：

γs＝γl*cosθ+γsl(1)

Fowkes認為，在(zai)分子(zi)間(jian)的(de)各種相互(hu)作用都對(dui)表面(mian)能有貢獻，因此固液(ye)之間(jian)形(xing)成界面(mian)的(de)界面(mian)張力同時滿足式(shi)(2)的(de)關系：

其中γd，γp分(fen)(fen)(fen)別為表(biao)面能(neng)中的(de)色散(san)分(fen)(fen)(fen)量(liang)(liang)和(he)(he)極(ji)性分(fen)(fen)(fen)量(liang)(liang)。將(1)(2)聯立，得到固體表(biao)面能(neng)分(fen)(fen)(fen)量(liang)(liang)與接(jie)觸角(jiao)之(zhi)間(jian)的(de)關(guan)系如式(3)所示，實踐中可以(yi)通過測(ce)定(ding)已知液體(探測(ce)液體)與固體間(jian)的(de)接(jie)觸角(jiao)，進而算出(chu)固體表(biao)面能(neng)(極(ji)性分(fen)(fen)(fen)量(liang)(liang)與色散(san)分(fen)(fen)(fen)量(liang)(liang)之(zhi)和(he)(he))：

傳統拉絲法制備的連(lian)續纖維，直(zhi)徑一(yi)般大于10μm，探測(ce)液體與固體間的接觸角(jiao)可(ke)以(yi)采(cai)用Sessile液滴法或Wilhelmy法測(ce)量，如(ru)圖1所示。

對(dui)于采用離心法(fa)(fa)(fa)或(huo)吹(chui)噴法(fa)(fa)(fa)制成的(de)絮狀(zhuang)纖(xian)維，平均長度和平均直徑分別僅有2mm和～4μm，如圖2所示(shi)，難以(yi)實施上述(shu)兩(liang)種方(fang)法(fa)(fa)(fa)測量探測液體與絮狀(zhuang)纖(xian)維的(de)接(jie)觸(chu)角，因此(ci)無法(fa)(fa)(fa)表(biao)征(zheng)其表(biao)面能。

對(dui)于液體(ti)與粉(fen)末(mo)間(jian)接觸角的(de)測量(liang)，通常采用Washburn法(fa)，即(ji)用底端具有過濾介質(zhi)的(de)玻璃管承裝粉(fen)末(mo)，再將(jiang)玻璃管底端與測試液體(ti)相接觸。由于毛細(xi)作(zuo)用，液體(ti)被吸起，玻璃管質(zhi)量(liang)隨時(shi)間(jian)的(de)增(zeng)加而增(zeng)加，懸吊(diao)在力傳感器可以記錄質(zhi)量(liang)的(de)變化。這一過程中，粉(fen)末(mo)中的(de)空隙(xi)起到毛細(xi)作(zuo)用，可以用Washburn方程(4)來描述：

式(shi)中(zhong)(zhong)m＝質量(liang)(liang)(liang)(liang)；t＝流(liu)(liu)動時間；σ＝液(ye)體(ti)(ti)(ti)的(de)(de)表面(mian)張(zhang)(zhang)力；c＝粉(fen)末(mo)(mo)(mo)的(de)(de)毛(mao)細(xi)常(chang)數(shu)；ρ＝液(ye)體(ti)(ti)(ti)密度(du)(du)(du)(du)；θ＝接(jie)觸(chu)(chu)角；η＝液(ye)體(ti)(ti)(ti)粘度(du)(du)(du)(du)。其中(zhong)(zhong)，質量(liang)(liang)(liang)(liang)、流(liu)(liu)動時間、液(ye)體(ti)(ti)(ti)的(de)(de)密度(du)(du)(du)(du)、液(ye)體(ti)(ti)(ti)的(de)(de)表面(mian)張(zhang)(zhang)力、液(ye)體(ti)(ti)(ti)的(de)(de)粘度(du)(du)(du)(du)都可測(ce)量(liang)(liang)(liang)(liang)或查表得到，因此式(shi)(4)中(zhong)(zhong)僅(jin)(jin)有(you)接(jie)觸(chu)(chu)角θ和(he)粉(fen)末(mo)(mo)(mo)的(de)(de)毛(mao)細(xi)常(chang)數(shu)c是未(wei)知量(liang)(liang)(liang)(liang)。若(ruo)想求出(chu)某液(ye)體(ti)(ti)(ti)與(yu)待測(ce)粉(fen)末(mo)(mo)(mo)的(de)(de)接(jie)觸(chu)(chu)角θ，可以通(tong)過利(li)用(yong)另一已知接(jie)觸(chu)(chu)角的(de)(de)液(ye)體(ti)(ti)(ti)得到該體(ti)(ti)(ti)系(xi)的(de)(de)毛(mao)細(xi)常(chang)數(shu)c，對于同(tong)(tong)種粉(fen)末(mo)(mo)(mo)，毛(mao)細(xi)常(chang)數(shu)僅(jin)(jin)與(yu)體(ti)(ti)(ti)系(xi)壓實(shi)程度(du)(du)(du)(du)有(you)關。目(mu)前確保粉(fen)末(mo)(mo)(mo)材料表面(mian)能測(ce)量(liang)(liang)(liang)(liang)中(zhong)(zhong)，體(ti)(ti)(ti)系(xi)壓實(shi)度(du)(du)(du)(du)相同(tong)(tong)的(de)(de)操(cao)作方(fang)法為：兩次在玻璃管中(zhong)(zhong)稱(cheng)取同(tong)(tong)樣質量(liang)(liang)(liang)(liang)的(de)(de)粉(fen)末(mo)(mo)(mo)后，通(tong)過震蕩(dang)使粉(fen)末(mo)(mo)(mo)在樣品管中(zhong)(zhong)高度(du)(du)(du)(du)相同(tong)(tong)，從而確保粉(fen)末(mo)(mo)(mo)在測(ce)量(liang)(liang)(liang)(liang)中(zhong)(zhong)的(de)(de)密實(shi)排列(lie)。

由于傳統(tong)測(ce)量(liang)連續纖(xian)維與(yu)探測(ce)液體接(jie)觸角的(de)Sessile法和Wilhelmy法需要較大纖(xian)維長度(du)和直(zhi)徑(jing)才能實(shi)施測(ce)量(liang)，絮(xu)狀纖(xian)維直(zhi)徑(jing)小，長度(du)短，沒有達(da)到能使用現有的(de)接(jie)觸角測(ce)量(liang)手段的(de)要求，因此通過現有的(de)Sessile法和Wilhelmy法不能表征(zheng)出絮(xu)狀纖(xian)維的(de)表面能。

針(zhen)對現有纖(xian)維(wei)(wei)表面(mian)能(neng)(neng)測量(liang)Sessile法(fa)和(he)Wilhelmy法(fa)不適用于超(chao)細纖(xian)維(wei)(wei)的(de)問題，下面(mian)通過Washburn法(fa)并結合設計(ji)的(de)專用裝(zhuang)置，能(neng)(neng)夠(gou)解決超(chao)細纖(xian)維(wei)(wei)與(yu)液體接觸角(jiao)不能(neng)(neng)測量(liang)的(de)問題，從而(er)實(shi)現精確測量(liang)超(chao)細纖(xian)維(wei)(wei)表面(mian)能(neng)(neng)的(de)目標。

一種超細纖維表面能測量(liang)方法，基于一套(tao)樣(yang)品容納(na)裝(zhuang)置(zhi)，裝(zhuang)置(zhi)包括：

樣(yang)(yang)品(pin)管(guan)(guan)，用(yong)于容(rong)納樣(yang)(yang)品(pin)，樣(yang)(yang)品(pin)管(guan)(guan)的上端(duan)(duan)具有上端(duan)(duan)開口(kou)；

活(huo)(huo)動塞(sai)，包括(kuo)塞(sai)體(ti)(ti)和端(duan)部，所述(shu)塞(sai)體(ti)(ti)與所述(shu)樣品管(guan)的所述(shu)上端(duan)開(kai)口(kou)緊密(mi)配合(he)，活(huo)(huo)動塞(sai)的所述(shu)端(duan)部直徑(jing)大于所述(shu)樣品管(guan)的上端(duan)開(kai)口(kou)直徑(jing)；

所(suo)述樣品管(guan)的底部設有(you)供液體流出的漏孔；

包(bao)括以下(xia)步驟：

S1、稱取所述樣品容(rong)納裝置的質量(liang)m1；

S2、將待(dai)測超(chao)細纖維裝入所述樣(yang)品(pin)管(guan)，并壓(ya)實(shi)到樣(yang)品(pin)管(guan)上(shang)的標記線位置(zhi)；

S3、將活動塞(sai)塞(sai)入樣品管的上(shang)端開(kai)口，確保(bao)待(dai)測(ce)超細纖維(wei)的上(shang)表面與樣品管上(shang)標(biao)記線持(chi)平(ping)，稱取樣品容納裝置及其中(zhong)待(dai)測(ce)超細纖維(wei)的整體質量m2，算(suan)出待(dai)測(ce)超細纖維(wei)質量m＝m2-m1；

S4、在動態表面張力儀上測量(liang)管中待(dai)測超細纖(xian)維吸附該低表面能液(ye)體過程中重(zhong)力-位(wei)移變化曲線(xian)；

S5、將測量后(hou)的待(dai)測超細纖維取出，清洗、晾干樣品管；

S6、重復裝(zhuang)填(tian)步驟S1～S3，確(que)保本次(ci)裝(zhuang)填(tian)待測超細纖維的質量與(yu)m相(xiang)等(deng)；

S7、通(tong)過步驟S4得到的(de)所述重力-位移變化曲線計算樣品管(guan)中(zhong)該待(dai)測超細纖(xian)(xian)維(wei)的(de)毛(mao)細常數c，使用該毛(mao)細常數c，在動態表面張力儀上測量管(guan)中(zhong)待(dai)測超細纖(xian)(xian)維(wei)與探測液體1的(de)接觸(chu)角CA1；

S8、重復步驟S5～S7，獲得待測超細纖維與探測液(ye)體(ti)2的接觸(chu)角(jiao)CA2；

 S9、通過(guo)接(jie)觸角CA1、接(jie)觸角CA2計算待測超細(xi)纖維(wei)的表面能。

步(bu)驟S4中，所述低表面能(neng)液(ye)體包括：正(zheng)乙烷(wan)、碳氟(fu)化合物、正(zheng)庚烷(wan)、正(zheng)辛(xin)烷(wan)、甲醇(chun)、乙醚中的任意(yi)一種(zhong)。

所(suo)述活動塞長度(du)不超過所(suo)述樣品管內腔高度(du)的1/3。

所述活動塞的端部厚(hou)度范圍(wei)在(zai)2～5mm。

所述(shu)樣(yang)品(pin)管(guan)(guan)的(de)(de)管(guan)(guan)壁帶有標記(ji)(ji)線，所述(shu)活動塞與樣(yang)品(pin)管(guan)(guan)緊(jin)密配合后，活動塞的(de)(de)塞體下緣(yuan)能夠(gou)與所述(shu)標記(ji)(ji)線平齊(qi)。

所述活動(dong)塞的(de)(de)材料(liao)包括橡膠、磨砂玻璃(li)、松木中(zhong)的(de)(de)任意(yi)一種。

所(suo)述探測(ce)(ce)液體根(gen)據待測(ce)(ce)超細纖(xian)維(wei)選擇，使探測(ce)(ce)液體與待測(ce)(ce)超細纖(xian)維(wei)的接(jie)觸(chu)角大于0，小(xiao)于90°。

效果：

這種超細纖維(wei)表面(mian)能(neng)測(ce)量(liang)(liang)方法，基于Washburn法以及(ji)一(yi)套樣品(pin)容納裝置，能(neng)夠限制測(ce)量(liang)(liang)過(guo)程中纖維(wei)吸附(fu)液體(ti)后膨脹，確保體(ti)系(xi)常數測(ce)量(liang)(liang)和(he)探(tan)針液體(ti)接觸(chu)角測(ce)量(liang)(liang)中，玻(bo)璃管中超細纖維(wei)的毛細常數相同，減小使用Washburn法測(ce)量(liang)(liang)時，由于纖維(wei)膨脹引(yin)起(qi)的測(ce)得的接觸(chu)角誤差(cha)，從而達(da)到提高超細纖維(wei)表面(mian)能(neng)測(ce)量(liang)(liang)結(jie)果(guo)準確性的目(mu)的。