表面張力法判斷親水性的研究

李喜樂，許文然，張 攀

（樂凱華光印刷科技有限公司 河南 南陽 473003）

1 引言

親水性[1]，顧名思義，就是物質(zhì)（或材料）對水的親和能力。根據(jù)研究，分子對水的親和能力，取決于分子的極性，極性大，一般來講，分子的親水性就大。由極性大的分子所組成的材料，其表面容易被水所潤濕。親水性，從本質(zhì)上來說是分子的物理性質(zhì)。如果分子的親水性部分，能夠有能力極化到形成氫鍵，那么相對于不能形成氫鍵的分子，或者極化能力小的分子，這類分子更容易溶解在水或者其他極性溶液里面。

生活中，常用的洗衣粉、洗衣液、洗潔精等清潔用品，都是應(yīng)用表面活性劑的兩親（一端親水一端親油）性質(zhì)來進行除污的。還有許多防水材料則是利用其親水性差的特性制作的。在印刷行業(yè)，印刷版材的感光層中，當(dāng)光照之后，光照部位的親水性會變成憎水性（親油性），在另外一些印刷版材的感光層中，則會發(fā)生相反的過程。

如上所述，一個分子在水中或者極性溶液中的溶解性，或者該分子的親水性，取決于該分子的極性。那么究竟這個分子是屬于極性分子還是非極性分子，如何判斷？

根據(jù)研究[2]，分子的極性與分子的空間結(jié)構(gòu)有關(guān)，當(dāng)一個分子中的正電荷“重心”與負(fù)電荷“重心”不能重合，那么分子就表現(xiàn)出極性，與此同時，對分子所有的化學(xué)鍵極性的向量求和，就得到了衡量極性大小的標(biāo)度——偶極矩μ，偶極矩的大小就代表著分子極性的大小。

如前所述，物質(zhì)的親水性越大，其對誰的親和性越好，就可以吸引水分子，甚至溶解于水。那么親水性越大，就一定水溶性越好嗎？實際上不是的，例如，比較明顯的例子是氯甲烷、硝基苯的極性非常大，按照如前所述的親水性非常好，可事實上這兩種物質(zhì)都難溶于水。

其實物質(zhì)的水溶性，除了與物質(zhì)的極性有關(guān)，還與其他因素，比如分子間作用力的類型、大小及分子結(jié)構(gòu)有密切的關(guān)系。例如像硝基苯等一些物質(zhì)，其分子的極性雖然很強，但是兩者的分子結(jié)構(gòu)和水的分子結(jié)構(gòu)相差比較大，所以兩者難溶于水。

所以說，根據(jù)親水性的定義，雖然物質(zhì)極性的強弱可以判斷其親水性的強弱，但是卻不能反應(yīng)出物質(zhì)和水之間的接觸狀態(tài)，比如溶解、混合、懸濁等。本文嘗試通過表面張力的方法，研究物質(zhì)和水之間的接觸狀態(tài)，物質(zhì)與水直接的界面（表面）形成方式，從而得出判斷物質(zhì)的親水性的方法。

2 界面（表面）的親水性

在實際的研究和實驗過程中，也經(jīng)常遇到物質(zhì)或材料的親水性問題。研究親水性，就需要研究物質(zhì)或材料與水的接觸界面。通常使用表面來代替界面，比如習(xí)慣上把液體與空氣的界面，還有固體與空氣的界面，都稱為表面[3]。由于水通常情況下是液體，所以研究親水性，就需要研究固體-液體（水）、液體-液體（水）的界面（表面）的性質(zhì)。

2.1 表面張力及其測定方法

研究固體-液體（水）、液體-液體（水）的表面，通常會用到表面張力。在液體的表面，與氣體接觸的地方，會產(chǎn)生一個薄薄的表面層，在這一層里面的分子，其分子間距離比液體內(nèi)部大，比氣體小，就像在液體與氣體之間產(chǎn)生了一層“彈簧”一樣，想要把“彈簧”拉開，“彈簧”就會向反方向收縮，這種使得液體的表面收縮的力，就稱之為表面張力。

液體表面張力可以通過儀器測定，目前測定方法大體上分為動態(tài)法和靜態(tài)法。這兩大類方法下面由于細(xì)分，具體分類如表1。

表1 表面張力的測定方法Chart.1 Methods of determining surface tension

值得注意的是，每種測定方法都有自身的應(yīng)用范圍，比如說如果測定液-液界面張力，就不能使用最大氣泡壓力法和毛細(xì)管上升法。此外目前的動態(tài)法，由于方法較為復(fù)雜，導(dǎo)致測試精度不能盡如人意，所以動態(tài)法很少能夠成功應(yīng)用。所以目前的實際生產(chǎn)和研究中，測定表面張力中多采用靜態(tài)法。下面以滴體積法為例說明表面張力的測定。

滴體積法的基本原理是這樣的，利用毛細(xì)管滴頭，緩慢往下滴液體，這時候測量液滴的大小，就能測定液體的表面張力。這是因為液體的表面張力，與從毛細(xì)管滴下的液滴的大小有內(nèi)在關(guān)聯(lián)，存在正比關(guān)系，這個關(guān)系可以用數(shù)學(xué)公式表達(dá)：

式中，W為液滴的重量；R為毛細(xì)管的滴頭半徑，其值的大小由測量儀器決定；f為校正系數(shù)。一般實驗室中測定液滴體積更為方便，因此式（2）又可寫為：

式中，V為液滴體積；ρ為液體的密度；f為校正因子。

對于特定的測量儀器和被測液體，R和ρ是固定的，在測量過程中，只要測出數(shù)滴液體的體積，就可計算出該液體的表面張力。

需要說明的是，測定表面張力的方法都有其應(yīng)用的局限和缺點，例如上述的滴體積法，其缺點和局限是：

（1）至今為止，滴體積法只是一種經(jīng)驗方法；

（2）當(dāng)遇到達(dá)到平衡較慢的表面時，滴體積法不能測定其表面張力，同時理論上講，也不能達(dá)到完全的平衡；

（3）應(yīng)用滴體積法，需要準(zhǔn)確測定液體體積，還有液滴滴落速度控制等問題。

所以在實際測量時，可以根據(jù)要求或者能夠較為容易實現(xiàn)的條件，比如實驗精度或者實驗設(shè)備等，再去選擇測定表面張力的方法。

比如說，當(dāng)需要測定時候的溫度和壓力比較高，可以采用最大氣泡壓力法、震蕩射流法、等方法；而當(dāng)測量的要求是精度高時，可以采用Wilhelmy吊片法、毛細(xì)管上升法等進行測定。

2.2 液-固界面的潤濕作用

滴在固體表面上的少許液體，取代了部分固-氣界面，產(chǎn)生了新的液-固界面。這一過程稱之為潤濕過程。潤濕過程可以分為三類[3]，即：粘濕、浸濕和鋪展，這里重點介紹鋪展過程。

鋪展，是指在等溫、等壓的條件下，液固界面取代了氣固界面，然后產(chǎn)生了氣液界面，這樣一個物理過程。等溫、等壓條件下，可逆鋪展單位面積時，Gibbs自由能的變化值為

其中，ΔG為Gibbs自由能的變化值，S為鋪展系數(shù)，γg-s為氣-固界面張力，γg-l為氣-液界面張力，γl-s為液-固界面張力。如果若S≥0，說明液體可以在固體表面自動鋪展。

目前，只有γg-l氣-液界面張力可以通過實驗測定，γg-l氣-固界面張力、γl-s液-固界面張力還無法直接測定[6]。所以上述式子不能在實際工作中直接使用。

在實際工作中，通常會用到接觸角結(jié)合γg-l氣-液界面張力來判斷鋪展過程是否自動進行。接觸角，是指在固相、液相、氣相這三相的交界點，兩個界面張力（氣-固界面與氣-液界面）之間的夾角，通常用θ表示。如圖1，將水滴滴到玻璃上，接觸角如圖所示。

圖1 接觸角Figure.1 Contact angle

根據(jù)楊氏潤濕方程，COSθ×γg-l=γg-s-γl-s，所以鋪展系數(shù)S=γg-l（COSθ-1），式子中γg-l，θ都可以測量出來，那么S就可以計算出來。

接觸角的測量方法有多種，包括長度測量法、角度測量法、透過測量法等，都是比較簡便的方法，比如角度測量法中，可以采用顯微鏡，用一安裝有量角器和叉絲的低倍顯微鏡觀察液面，直接可以讀出角度。

由上述可知，水在固體表面的鋪展可以通過實驗測量γg-l，θ來確定，所以水在固體表面的鋪展與否可以判斷固體材料的親水性。

2.3 液-液界面的表面張力和液體親水性的判斷

如前所述，雖然物質(zhì)極性的強弱可以用以判斷其親水性的強弱，但是在實際中，會遇到一些極性很強而親水性不是那么明顯的物質(zhì)，或者是一些反應(yīng)產(chǎn)生的新物質(zhì)（例如生產(chǎn)版材所需的一些聚合物），那么究竟如何來判斷這類物質(zhì)或者（這里的物質(zhì)都是液體）的親水性？生產(chǎn)實踐中經(jīng)常用的一種方法，就是直接實驗，拿印刷版材的生產(chǎn)來說，就是直接用材料制作版材，然后進行制版實驗來判斷親水性的好壞。毋庸置疑，這樣做確實直接的測試了版材這個體系的親水性，可以說是簡單而有效?？墒菍τ谏a(chǎn)基礎(chǔ)材料的研究者來說，這樣的測試對研究材料的親水性幫助不大，對制作材料的原材料的親水性的研究也沒有幫助。下面本文通過研究液-液界面的表面張力，嘗試提出來判斷液體的親水性的方法。

液液界面，顧名思義就是液體之間形成的界面，只要是兩種液體不互溶或者說互溶性不好，兩者相互接觸，就可以而形成的液液界面。根據(jù)研究，兩種液體，要形成液液界面，通常通過以下三種方式：黏附方式、鋪展方式和分散方式。

第一種方式，黏附方式。兩種不同的液體，液體A和液體B，互相相接觸后，兩者和氣體形成的表面同時消失，形成液體A和液體B之間的界面，也就是液液界面（AB）的過程，這就是黏附過程。該過程如圖2所示。

圖2 黏附過程Figure.2 Adhesion process

如果液體A和液體B為同一種液體，那么這個黏附過程就稱為內(nèi)聚過程。在內(nèi)聚的過程中，液體A和液體B液體的表面消失，內(nèi)聚功（即該過程的黏附功）WAA=γA+γA+γAA，其中 γAA為 0，WAA=2γA，明顯 WAA＞ 0，即內(nèi)聚可以自發(fā)進行。

由此可知，當(dāng)液液界面是黏附方式形成的，那么判斷黏附過程自發(fā)進行的依據(jù)就是黏附功WAB，當(dāng)WAB＞0時黏附過程可以自發(fā)進行，也就是說兩種液體之間的吸引強度較大。如果兩種液體之一（例如A）為水，那么黏附功的大小就可以判斷另一種液體（B）親水性的大小。

此外黏附功的計算式中γAB為A和B的液液界面張力，關(guān)于這個界面張力的計算，有多重理論，最簡單的一種是Antonoff規(guī)則，該規(guī)則認(rèn)為γAB=γA飽和—γB飽和，式子中γA飽和、γB飽和指的是指的是液體A和液體B相互飽和后的表面張力，而不是其各自的表面張力。

第二種方式，鋪展方式。在上述的液-固界面的潤濕作用，液體在固體表面的鋪展也可以引用到液液界面，不過此時的鋪展過程復(fù)雜一些。比如在清潔的水面上，滴加不溶性“油”滴，此時的“油”在水面上，可能表現(xiàn)出三種不同的狀態(tài)：

第一種狀態(tài)，“油”在水面上，形成一層雙重膜，也就是形成了液體水與膜的界面，和膜與空氣的界面，如此一來，“油”在水面上鋪展形成了兩個獨立界面。

第二種狀態(tài)，“油”在水面上不鋪展，而是呈“透鏡”狀態(tài)。

第三種狀態(tài)，“油”在水面上，先鋪展成單分子膜；多余的“油”，則會呈現(xiàn)“透鏡”狀態(tài)，并且單分子膜與“透鏡”保持平衡。

這三種狀態(tài)如圖3所示。

圖3 鋪展過程Figurre.3 Spreading process

由上述可知，若以A表示水（或水相），以B表示油（或油相），鋪展系數(shù)S可改寫成：

其中，WAB代表“油”與水的黏附功；而WBB則是油的內(nèi)聚功。由此可知，當(dāng)“油”與水的黏附功比這種“油”的內(nèi)聚力還強時，“油”就會在水的表面上鋪展。參照水在固體表面的鋪展，此時可以說此種“油”類的親水性較好。

第三種方式，分散。分散是指液體A分散到另外一種與之互不相容的液體B中，形成A、B混合物的過程，過程如圖4所示。

圖4 分散過程Figure.4 Dispersion process

由此可知，當(dāng)液液界面是分散方式形成的，那么判斷分散過程自發(fā)進行的依據(jù)就是分散系數(shù)F，當(dāng)F＞0時，分散過程可以自發(fā)進行，那么在其他條件相同，可以判斷分散過程能夠自發(fā)進行的物質(zhì)親水性好于不能自發(fā)進行的物質(zhì)。

3 結(jié)論

為了能夠更加準(zhǔn)確地衡量物質(zhì)（或材料）的的親水性，本文研究了液-固界面和液-液界面的一些性質(zhì)，探討了使用表面張力為主要工具來衡量物質(zhì)（或材料）的親水性。相比于簡單的使用極性來判斷物質(zhì)（或材料）的親水性，使用表面張力這一工具能夠比較好的標(biāo)示物質(zhì)（或材料）的親水性。表面張力法（標(biāo)示親水性）具體應(yīng)用為：

3.1 液-固界面，鋪展系數(shù)S=γg-l（COSθ-1），式子中γg-l，θ都可以測量出來，那么S就可以計算出來。如果若S≥0，說明液體可以在固體表面自動鋪展。說明該固體親水性較好。

3.2 液-液界面。第一種情況，黏附過程形成的界面，黏附功，γA代表液體A的表面張力；γB分別代表液體B的表面張力；γAB為代表液體A和液體B的液液界面張力，WAB則代表為黏附功，黏附功反映的是不同液體間的相互吸引強度。當(dāng)WAB＞0時，黏附過程可以自發(fā)進行。此時該液體的親水性較好。第二種情況，鋪展過程形成的界面，則，S為鋪展系數(shù)，若S＞0，則體系的鋪展過程能自發(fā)進行。此時該液體的親水性較好。第三種情況，分散過程形成的液液界面，F(xiàn)=-ΔG=—γAB，F(xiàn)為分散系數(shù)，當(dāng)F＞0時，分散過程可以自發(fā)進行，那么在其他條件相同，可以判斷分散過程能夠自發(fā)進行的物質(zhì)親水性好于不能自發(fā)進行的物質(zhì)。

值得注意的是，與通過極性判斷親水性不同，本文討論的方法即表面張力法完全是通過實驗測定表面張力（和接觸角）來判定親水性，所以本方法依賴于實驗多過理論，而且親水性的強弱可以由數(shù)據(jù)直觀地反應(yīng)出來，可以說是比較可靠的方法。

[1] https：//baike.baidu.com，“親水性”詞條.

[2] https：//baike.baidu.com，“極性分子”詞條.

[3]騰新榮.表面物理化學(xué)[M].化學(xué)工業(yè)出版社.

[4]李艷紅，王升寶，常麗萍.表（界）面張力測定方法的研究進展[J].日用化學(xué)工業(yè)，2007，37（2）：102—106.

[5]于軍勝，唐季安.表（界）面張力測定方法的進展[J].化學(xué)通報，1997，60（11）：11-15.

[6]http：//www.docin.com/p-203117980.html.