粉體表面能的測試方法及在粉體表征中的應用

發布時間 | 2025-11-10 14:53 分類 | 粉體應用技術點擊量 | 196

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導讀：表面能是表征粉體表面性質的關鍵物理化學參數，在材料科學、制劑開發和工業生產中扮演著至關重要的角色。隨著表征技術的不斷進步，對粉體表面能的深入研究將在更精細的尺度上實現對粉體性能的精...

對于粉體材料而言，尤其是超細粉體，隨著顆粒粒徑的減小，其比表面積急劇增加，導致表面能顯著升高。為了趨于穩定，高表面能的顆粒會通過相互聚集來降低總能量，這是引起粉體團聚的重要原因之一。因此，研究粉體表面能并探尋其降低方法，對改善粉體分散性、流動性、潤濕性及粘附性等關鍵性質具有重要意義。

一、表面能的定義

從微觀角度看，物體內部的分子受到周圍分子的均衡作用力，而表面分子則因一側作用力的缺失，處于能量較高的不穩定狀態。從定義來看，表面能即是：把一個固體材料分解成小塊，破壞其內部化學鍵需要消耗的能量。

從熱力學角度定義，表面能（Γ）是在恒溫、恒壓和恒定組成的條件下，增加單位表面積（A）時體系吉布斯自由能（G）的增量，其表達式為：

二、粉體表面能的主要測試方法

粉體表面能常用的測試方法是IGC-反氣相色譜法和接觸角法。

1、IGC-反氣相色譜法

反氣相色譜法是一種氣固技術，用于表征固體材料的表面和體相特性。由于其可靠性和精度，IGC已成為實驗室顆粒材料表面能表征的首選方法。

原理：將待測粉體作為固定相填充于色譜柱中，以一系列已知性質的揮發性探針分子（非極性與極性）注入載氣。通過精確測量探針分子在粉體柱中的保留時間或保留體積，可以分析探針分子與粉體表面的相互作用，進而計算出粉體的表面能及其分量。其保留體積和保留時間的關系如式所示：

其中，t_r為探針分子保留時間（min）；t₀為參照氣體（甲烷）保留時間（min）；F為載氣流速(mL/ min)；m為樣品填充質量（g）；C為校正因子；J為非理想氣體性質進行壓縮的校正因子。

表面能分析儀（iGC-SEA）技術原理

特點：

·高精度與豐富信息：不僅能提供總表面能，還能解析出色散分量和極性分量，并可獲得表面能分布、吸附熱等信息。

·樣品適用性廣：適用于粉末、顆粒、纖維等多種形態的樣品。

·可靠性高：自動化程度高，數據重復性好。

2、接觸角法

對液體在固體表面上的接觸角進行測量，借助關系方程求解得出表面能。當液滴在固液、固氣、液氣界面張力作用下達到平衡時，固、液、氣三相相交點受到的平衡力服從Young方程：

接觸角示意圖

常用的接觸角測定方法有角度測量法、透過法、長度測量法和力測量法等。一些研究者試圖將粉體壓制成平整的片材，在片材表面測量液體的靜態接觸角。但粉體壓片后表面微觀形貌粗糙，測試得到的接觸角結果不準確，不適合用于計算表面自由能。僅透過法可用于粉體表面的接觸角測定，其中最常用的是毛細滲透法、薄層毛細滲透法。

（1）毛細滲透法

原理：固態顆粒間存在具有顯著的毛細作用的空隙，潤濕性液體一旦接觸粉體即能自發滲透進粉體內部(毛細上升效應)。