當一滴水在荷葉上凝成晶瑩的水珠，當印刷油墨在紙張表面均勻鋪展，當膠粘劑將手機屏幕與機身牢牢粘在一起——這些日?，F(xiàn)象背后，隱藏著兩個極易混淆卻至關重要的物理概念：表面張力和表面能。它們共同支配著物質(zhì)界面的相互作用，卻又在液體與固體的世界里扮演著截然不同的角色。為什么水黽能在水面行走而不沉沒？為什么塑料表面必須經(jīng)過特殊處理才能牢固粘接？理解表面張力與表面能的區(qū)別，正是解開這些謎題的關鍵。

       固體的表面能則呈現(xiàn)不同的特點。由于固體分子無法自由移動，表面分子的受力不平衡無法通過改變形狀來緩解，只能以能量形式儲存于表面。高表面能的固體，如玻璃、陶瓷和大多數(shù)金屬，其表面分子具有強烈的吸引外來分子的能力；而低表面能的固體，如未經(jīng)處理的塑料，表面分子吸引力較弱，往往表現(xiàn)出排斥液體的特性。

         固體表面能的測量則要間接得到，常用且可靠的方法是接觸角測量法。當一滴已知表面張力的液體（通常是純水）滴在固體表面上，液滴與固體表面形成的接觸角可以反映固體表面能的高低。根據(jù)楊氏方程（Young's equation），接觸角 θ 與固體表面能 σs、液體表面張力 σ_L  以及固液界面張力σ_SL之間存在關系：σ_S = σ_SL + σ_{L  · cosθ。}

       通過測量至少兩種不同表面張力液體在同一固體表面的接觸角，可以使用 Owens-Wendt-Rabel-Kaelble（OWRK）模型計算出固體表面能的色散分量和極性分量。實際應用中，為提高準確性，通常推薦使用三種或更多種測試液體。例如，水（高極性）、二碘甲烷（高色散性）和乙二醇常被組合使用。

        表面張力和表面能的控制在現(xiàn)代制造業(yè)中至關重要，直接影響產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。理解并調(diào)控這些表面性質(zhì)，可以避免代價高昂的粘合失敗和涂層缺陷。

       在印刷行業(yè)，油墨的表面張力須低于承印物的表面能才能實現(xiàn)良好的鋪展。如果油墨表面張力過高，就會在紙張表面形成珠狀，導致印刷圖案不均；反之，如果油墨表面張力過低，則可能滲透過紙張，造成透印。通過調(diào)整油墨配方中的表面活性劑含量，可以精確控制其表面張力，確保在不同類型紙張上都能獲得清晰的印刷效果。

       塑料加工是表面能控制的典型應用領域。大多數(shù)塑料（如聚乙烯、聚丙烯）的表面能很低（約 30mN/m 以下），難以直接進行涂裝或粘接。工業(yè)上通常采用等離子處理、火焰處理或電暈放電等方法來提高塑料表面能。經(jīng)過處理后，塑料表面會形成極性基團，表面能顯著提高，從而能夠牢固地粘接或均勻地涂覆。例如，汽車保險杠在噴漆前必須經(jīng)過表面處理，將表面能提高到一定水平，以確保油漆附著牢固且均勻。

       在微電子制造中，表面能的精確控制更是生死攸關。芯片上的導線寬度已縮小到納米級別，任何微小的粘合問題都可能導致整個芯片失效。通過測量晶圓表面的接觸角，工程師可以確保光刻膠能夠均勻涂覆，金屬薄膜能夠牢固附著，從而提高芯片的良率和可靠性。

       醫(yī)療設備制造同樣依賴于表面能的調(diào)控。例如，靜脈導管的內(nèi)表面需要具有特定的表面能，以防止血液凝固和細菌附著；而植入式醫(yī)療器械的表面能則需要精心設計，以促進組織整合同時避免炎癥反應。

總結(jié)而言，表面張力和表面能的核心區(qū)別在于：

1. 作用對象：表面張力針對液體-氣體界面，表面能針對固體-氣體界面。

2. 表現(xiàn)形式：表面張力表現(xiàn)為液體表面收縮的力，具有方向性；表面能表現(xiàn)為固體表面儲存的能量，沒有方向性。

3. 測量方式：表面張力可直接測量(力學或光學方法)，表面能需通過接觸角等間接方法推斷。

4. 動態(tài)特性：液體表面張力相對穩(wěn)定，不易隨時間變化；固體表面能則容易受污染、氧化等因素影響而變化。

     這些區(qū)別決定了它們在工業(yè)應用中的不同處理方式。液體的表面張力可以通過添加表面活性劑等方法方便地調(diào)節(jié)；而固體的表面能則通常需要通過物理或化學處理來改變，且需要持續(xù)監(jiān)測以確保處理效果。

     現(xiàn)代制造業(yè)越來越依賴實時監(jiān)測和控制表面性質(zhì)的技術。例如，通過DataPhysics的便攜式接觸角測量儀（一鍵表面能測量儀，PCA 200）可以直接在生產(chǎn)線上快速測量表面能，確保每個產(chǎn)品的表面都符合粘合或涂覆要求。這種數(shù)據(jù)驅(qū)動的質(zhì)量控制方法，正在將過去看不見摸不著的表面性質(zhì)轉(zhuǎn)化為可測量、可控制的生產(chǎn)參數(shù)，從而大幅提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性。

      理解表面張力和表面能的區(qū)別，不僅是掌握一門基礎物理知識，更是現(xiàn)代制造業(yè)重要的技術素養(yǎng)。從日常生活中的油墨印刷到高科技領域的工業(yè)制造，這些微觀尺度的表面力量，正在宏觀世界中發(fā)揮著至關重要的作用。

DataPhysics 提供不同表面張力測量原理和方法的現(xiàn)代科學儀器，包括：

?  光學原理（OCA系列- Optical Contact Angle Measuring and Contour Analysis Systems）

       表面張力測量范圍：0.01-2000mN/m

?  力學原理（DCAT系列-Dynamic Contact Angle measuring devices and Tensiometer）

       表面張力測量范圍：1-2000mN/m

?  最大泡壓法（MBP - Bubble Pressure Tensiometer）

        表面張力測量范圍：10-100mN/m

?  旋轉(zhuǎn)滴法（SVT - Spinning drop Video Tensiometer）

       表面張力測量范圍：0.000001-2000mN/m

? 便攜式接觸角測量儀 ： 一鍵測量表面能及其極性、色散分量

參考：

[3] Journal of Colloid and Interface Science 454 (2015) 226–237

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