表面張力

要理解表面張力需要深入理解“相”這個概念，在物理化學(xué)里，簡單地說，相就由均勻物質(zhì)組成，擁有均勻的物理與化學(xué)性質(zhì)。不同相之間就會用相界。表面就是相界的一種，再簡單說就是兩個“區(qū)域”邊界（境）線。我們很容易理解，邊界線的性質(zhì)和意義，肯定是和邊界內(nèi)部的是不同，尤其是在科學(xué)領(lǐng)域，因?yàn)檫@個領(lǐng)域特別講條件，所定義的條件也是絕不模棱兩可，這就使得邊界部分比較特殊，它的特性可能符合邊界左邊，也可能符合邊界右邊，也可能都不符合。所以表面科學(xué)呼之而出，它在物理化學(xué)領(lǐng)域通常要單獨(dú)討論。

表面張力就是因?yàn)楸砻妫ㄏ嘟纾﹥蛇叿肿娱g作用力不同而引起的，為什么會不同呢？因?yàn)槭遣煌南啵捅热鐨庖海ㄋ﹥上?，一邊分子密度大，一邊分子密度小，所以交界面上的分子，在水一?cè)就可能受到更多的作用力，比如氫鍵，整體效果就是，這個“更多的作用力”使得液體有種自發(fā)的傾向，要把自己的收縮起來，縮到能平衡掉這部分多出來的作用力。

一、什么是表面張力

表面張力是使液體表面收縮的一種力，是表層分子之間相互吸引產(chǎn)生的。分子間力稱為范德華力，同時包含吸引力和排斥力。當(dāng)液體不受外力時，內(nèi)部分子間也處于平衡的不受力狀態(tài)，即吸引力和排斥力相等，分子們靠近一點(diǎn)就體現(xiàn)出排斥力，遠(yuǎn)離一點(diǎn)就體現(xiàn)出吸引力。而在液體表面上，經(jīng)常有些能量高的分子掙脫了其他分子的吸引力而逃脫，這就是液體的氣化。在這種作用下，液體表層分子間的距離比內(nèi)部分子間的距離更大一些，分子間體現(xiàn)為拉力，這就是表面張力。表面張力的存在使液體表面趨向于面積最小，使液滴傾向于呈球形。這下明白為什么水滴是球形的了吧，其原因就是因?yàn)楸砻鎻埩?，要是沒有表面張力，那水滴的形狀千奇百怪，可能是方的，三角形、橢圓形等等。

二、對表面張力的理解

表面張力的大小取決于液體的性質(zhì)和環(huán)境條件。一般來說，表面張力隨著液體的分子間吸引力增強(qiáng)而增加，隨著溫度的升高而減小。簡單粗暴理解，表面張力越小的液體，越容易被“侵犯”，表面張力越大的液體“越犟，不容易被侵犯 ”，表面張力的這種特性，在生活中有很多應(yīng)用。

1. 清潔劑和肥皂：在洗滌過程中，清潔劑和肥皂能夠降低水的表面張力，使其更容易滲透到污垢和油脂中，從而更有效地清潔物體表面。

2. 水滴形狀：表面張力使得水滴呈現(xiàn)球形。這是因?yàn)楸砻鎻埩κ沟盟肿釉诒砻嫔舷嗷ノ?，使得水滴盡可能小，從而減小表面積。

3. 吸水紙的作用原理：毛細(xì)管現(xiàn)象是表面張力的重要應(yīng)用之一。當(dāng)將一根細(xì)小的管子（如玻璃毛細(xì)管）插入液體中時，液體會上升或下降到比容器中液體水平更高或更低的位置。這是因?yàn)楸砻鎻埩κ挂后w在細(xì)小管道中形成了一個上升或下降的力。

玻璃板上的水銀滴基本上呈球形，這是因?yàn)樗y滴外表面薄層內(nèi)所有分子都處在高勢能狀態(tài)。計算表明，如使分子總勢能為極小，則表面必定呈圓球形。如果設(shè)法消除重力的影響，例如把液滴放在比重相同又與液滴不起化學(xué)反應(yīng)的另一種液體中，或在真空中自由下落，或在失重的人造衛(wèi)星與火箭的環(huán)境中，則液滴將呈現(xiàn)理想的球形。球面形的肥皂泡，荷葉上的球形露珠，也可以用相同的道理來解釋。

三、表面張力在涂料中的應(yīng)用

1. 涂料的流平性：涂料的流平性是指涂料在涂覆物表面上均勻分布的能力。如果涂料的表面張力過高，它會形成凸起的表面，導(dǎo)致涂層不平整。通過調(diào)整涂料中的表面活性劑，可以降低表面張力，使涂料更容易均勻分布在表面上，從而提高涂料的流平性。

2. 防止涂料分散：在涂料中添加表面活性劑可以降低液體顆粒之間的表面張力，從而防止涂料分散。這可以確保涂料中的顏料和填料均勻分布，并提供更好的覆蓋力和色彩一致性。

3. 提高涂層附著力：表面張力的適當(dāng)調(diào)整可以幫助涂料更好地附著在基材表面上。通過降低表面張力，涂料能夠更好地滲透到基材的微小孔隙中，并與基材表面形成更緊密的結(jié)合，提高涂層的附著力和耐久性。

4. 減少涂料的起泡：涂料中的氣泡和起泡問題可能導(dǎo)致涂層表面不平整。表面張力的適當(dāng)調(diào)整可以減少涂料中氣泡的形成，從而改善涂層的外觀和質(zhì)量。

5. 涂料分散劑：涂料中的顏料和填料往往是以顆粒形式存在的，容易發(fā)生團(tuán)聚。通過添加表面活性劑作為分散劑，可以降低顆粒之間的表面張力，使顆粒更好地分散在涂料中，提高涂料的穩(wěn)定性和均勻性等。

四、為什么念叨表面張力

所以，通過以上的例子明白為什么現(xiàn)在的涂料工程師嘴里一直講降低表面張力了吧。因?yàn)?，隨著水性漆的不斷發(fā)展，很多企業(yè)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(dú)水的表面張力系數(shù)72.8mN/m(20℃)，所以明白水性漆的難度為什么比較大，而現(xiàn)在的涂料工程師為什么都嘴里念叨降低表面張力了吧，因?yàn)槟鞘呛荜窈荜竦?，如果你還沒明白，那收下一張溶劑表面張力參數(shù)表看吧！

表面活性劑和HLB值

1. 表面活性劑分類（大體如下圖）

2、O/W、W/O是啥？

乳化體中以液珠或其他形式被分散的一相，稱為分散相（或稱內(nèi)相、不連續(xù)相）；另一相是連成一片的，稱為分散介質(zhì)（或稱外相、連續(xù)相）。

外相為“水”，內(nèi)相為“油”的乳化體叫作水包油型乳化體，以O/W表示。

外相為“油”，內(nèi)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和親油基團(tuán)對油或水的綜合親和力稱為親水親油平衡值( hydrophile-lipophile balance , HLB)

將表面活性劑的HLB值范圍限定在0~40,其中非離子表面活性劑的HLB值范圍為0~20,即完全由疏水碳?xì)浠鶊F(tuán)組成的石蠟分子的HLB值為0,完全由親水性的氧乙烯基組成的聚氧乙烯的HLB值為20,既有碳?xì)滏溣钟醒跻蚁╂湹谋砻婊钚詣┑腍LB值則介于兩者之間。

HLB值越高親水性越強(qiáng)，反之，親油性強(qiáng)。

筆記：

HLB值在3~6的表面活性劑，適合做W/O型乳化劑;

HLB值在8~18的表面活性劑，適合做O/W型乳化劑。

作為增溶劑的HLB值在13 ~ 18 ,作為潤濕劑的HLB值在7 ~9，作為去污劑的HLB值在13~16，如下圖。

4、臨界膠束濃度CMC

表面活性劑分子締合形成膠束的最低濃度，為臨界膠束濃度(critical micell concentration, CMC)。CMC時，溶液的表面張力幾乎最低。

表面活性劑的形態(tài)如下：

注意：在高濃度的表面活性劑水溶液中，如有少量非極性溶劑存在，則可能形成反向膠束（親水集團(tuán)向內(nèi)，親油集團(tuán)向外）。油性表面活性劑也可形成反向膠束。

轉(zhuǎn)載自：化工好料到haoliaodao.com

來源：表面活性劑發(fā)展中心