粉体表面能的测试方法及在粉体表征中的应用

发布时间 | 2025-11-10 14:53 分类 | 粉体应用技术点击量 | 68

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导读：表面能是表征粉体表面性质的关键物理化学参数，在材料科学、制剂开发和工业生产中扮演着至关重要的角色。随着表征技术的不断进步，对粉体表面能的深入研究将在更精细的尺度上实现对粉体性能的精...

对于粉体材料而言，尤其是超细粉体，随着颗粒粒径的减小，其比表面积急剧增加，导致表面能显著升高。为了趋于稳定，高表面能的颗粒会通过相互聚集来降低总能量，这是引起粉体团聚的重要原因之一。因此，研究粉体表面能并探寻其降低方法，对改善粉体分散性、流动性、润湿性及粘附性等关键性质具有重要意义。

一、表面能的定义

从微观角度看，物体内部的分子受到周围分子的均衡作用力，而表面分子则因一侧作用力的缺失，处于能量较高的不稳定状态。从定义来看，表面能即是：把一个固体材料分解成小块，破坏其内部化学键需要消耗的能量。

从热力学角度定义，表面能（Γ）是在恒温、恒压和恒定组成的条件下，增加单位表面积（A）时体系吉布斯自由能（G）的增量，其表达式为：

二、粉体表面能的主要测试方法

粉体表面能常用的测试方法是IGC-反气相色谱法和接触角法。

1、IGC-反气相色谱法

反气相色谱法是一种气固技术，用于表征固体材料的表面和体相特性。由于其可靠性和精度，IGC已成为实验室颗粒材料表面能表征的首选方法。

原理：将待测粉体作为固定相填充于色谱柱中，以一系列已知性质的挥发性探针分子（非极性与极性）注入载气。通过精确测量探针分子在粉体柱中的保留时间或保留体积，可以分析探针分子与粉体表面的相互作用，进而计算出粉体的表面能及其分量。其保留体积和保留时间的关系如式所示：

其中，t_r为探针分子保留时间（min）；t₀为参照气体（甲烷）保留时间（min）；F为载气流速(mL/ min)；m为样品填充质量（g）；C为校正因子；J为非理想气体性质进行压缩的校正因子。

表面能分析仪（iGC-SEA）技术原理

特点：

·高精度与丰富信息：不仅能提供总表面能，还能解析出色散分量和极性分量，并可获得表面能分布、吸附热等信息。

·样品适用性广：适用于粉末、颗粒、纤维等多种形态的样品。

·可靠性高：自动化程度高，数据重复性好。

2、接触角法

对液体在固体表面上的接触角进行测量，借助关系方程求解得出表面能。当液滴在固液、固气、液气界面张力作用下达到平衡时，固、液、气三相相交点受到的平衡力服从Young方程：

接触角示意图

常用的接触角测定方法有角度测量法、透过法、长度测量法和力测量法等。一些研究者试图将粉体压制成平整的片材，在片材表面测量液体的静态接触角。但粉体压片后表面微观形貌粗糙，测试得到的接触角结果不准确，不适合用于计算表面自由能。仅透过法可用于粉体表面的接触角测定，其中最常用的是毛细渗透法、薄层毛细渗透法。

（1）毛细渗透法

原理：固态颗粒间存在具有显著的毛细作用的空隙，润湿性液体一旦接触粉体即能自发渗透进粉体内部(毛细上升效应)。