全 文 ：挪威云杉树脂的临界表面张力和
临界 Hamaker常数
沈　青
(东华大学 材料科学与工程学院中心实验室;纤维材料国家重点实验室 , 上海 200051)
摘　要:应用一系列烷烃类液体和接触角技术 , 对挪威云杉(Picea abies L.Karst.)树脂的一些表面特征作了
研究。发现该树脂的临界表面张力约为 18.48 mN/m , 根据 Zisman 的临界表面张力外推方法将液体的
Hamaker常数与 cos θ作图 ,发现该树脂有一个唯一的临界 Hamaker 常数约 4.18×10-20 J。
关键词:挪威云杉树脂;临界表面张力;临界 Hamaker常数
中图分类号:TQ351.4　　　　文献标识码:A　　　　文章编号:0253-2417(2004)S0-0077-03
SU RFACE PROPERTIES OF NORWAY SPRUCE RESIN
SHEN Qing
(The Central Laboratory of Material Science &Engineering Col lege , Donghua University ;
State Key Laboratory of Chem ical Fiber and Polymer , Shanghai 200051 , China)
Abstract:Using the contact angle technique and a series of alkanes as probe liquids to wet the surface of Norw ay
spruce resin (Picea abies L.Karst.), the critical surface tension of this resin was measured to be about 18.48 mN/
m.Using Hamakers ex trapolation method fo r critical surface tension , a good linear relationship was found by
plotting Hamaker constant of the liquid w ith cos θ.This method w as thus developed to obtain the unique critical
Hamaker constant fo r this resin to be about 4.18×10-20 J.
Key words:Picea abies L.karst.resin;critical surface tension;critical Hamaker constant
由于树脂类物质的作用被发现不仅与日常生活密切相关 ,也与生命科学密切相关 ,这使得人们增加
了对天然树脂类物质的兴趣[ 1] 。木材树脂是一种来源丰富的天然树脂类物质 ,近年来已有许多研究结
果被报道[ 1～ 2] 。
本文主要报道挪威云杉(Picea abies L.Karst.)树脂的一些表面特征 ,如表面张力和 Hamaker 常
数。
收稿日期:2003-07-09
　基金项目:教育部留学回国人员科研启动基金资助项目(ZB01)
　作者简介:沈 青(1956-),男 , 浙江杭州人 , 副教授 ,博士 , 研究方向为可再生高分子材料加工 、材料的物理化学表
征 、表面化学的基本理论与方法 、制浆造纸技术及过程的物理化学现象 、新型纤维及膜材料;
E-mail:sqing@eastday.com。
第 24卷增刊
2004 年 8 月
林　产　化　学　与　工　业
Chemistry and Indust ry of Forest Products
Vol.24 Supplement
Aug.2004
1　实　验
1.1　挪威云杉树脂的制备
该树脂样品由芬兰 bo Akademi大学森林产品系 Sundberg 提供 ,提取自挪威云杉 ,按 Sundberg 发
明的提取方法制备[ 2] 。
1.2　接触角测试
首先将丙酮/挪威云杉树脂的混合液涂在光滑不锈钢表面 ,并让丙酮在空气中自然挥发得到表面平
整的挪威云杉树脂膜 。
采用一系列分析纯烷烃(碳原子从 9到 16 ,Merck公司产品)及接触角技术测试与挪威云杉树脂膜
表面的前接触角 。整个测试过程由一个液滴装置和摄 、录 、放像系统组成。通过一个微型注射器将液滴
滴在挪威云杉树脂膜表面 。每一种液体测 10次 ,然后给出平均值 ,误差约 2度 。测试时温度为 22 ℃,
相对湿度为 40 %。相同的接触角测试技术曾在文献[ 3]中进行过详细地介绍。
2　结果与讨论
2.1　烷烃的表面张力与挪威云杉树脂余弦接触角的关系
在表面化学的许多方法中 ,接触角技术是一种被认为简单而又实用的方法[ 4～ 5] 。而且 ,由于该方
法所涉及的材料表面仅在 1 nm左右的深度 ,所以比起其它技术更能真实反映材料的表面特征[ 6] 。
为了理解接触角数据 ,Zisman[ 7]曾发明了一种能得到固体材料临界表面能的方法 。比如将液体与
固体之间的余弦接触角 cos θ作为所用液体的表面张力γL的函数 ,可以得到所测固体材料的临界表面
张力 γC 。由于此经验方法得出的结果是一个唯一值 ,所以该方法似乎还具有消除接触角测试过程所带
来的一些测试误差的优点 。
根据 Zisman[ 7]的研究 ,这些参数之间有下列关系(见式 1)。
cos θ=1-a(γL-γC) (1)
式中:a为常数 。
图1是按 Zisman的方法对烷烃滴在挪威云杉树脂膜表面的描述。由于所有测试数据之间有着非
常理想的线性如图中 R 值所示 ,所以可得到该树脂的临界表面张力约等于 18.48 mN/m 。
由于 Zisman曾利用临界表面张力表征过一系列的高分子材料 ,并发现聚四氟乙烯是一种疏水性非
常强的材料 ,其临界表面张力约在 18 ～ 19 mN/m[ 7] 。所以挪威云杉树脂的 γC被发现几乎与聚四氟乙
烯一致 ,说明其疏水性也应该非常好。
根据Zisman的研究[ 7] ,这个结果意味着挪威云杉树脂可以被表面张力小于其 γC的液体所湿润 ,而
大于其 γC 的液体则不能。一般认为 , 材料的湿润性与其成分有关 ,尤其是与其表面的分子极性有
关[ 8] 。
2.2　烷烃的 Hamaker常数与挪威云杉树脂余弦接触角的关系
Hamaker常数是另一个重要的表征材料表面特性的参数[ 9] 。由于应用的一系列烷烃液体的
Hamaker常数 A L可以从文献上得到[ 9～ 10] ,而 Hough-White[ 9]发现固体的 Hamaker常数 AS 与液体的
Hamaker常数 A L之间有关系。本文作者根据 Zisman经验方法得到挪威云杉树脂的固体 Hamaker常
数 A S 。
图 2描述了液体的 Hamaker 常数 A L与挪威云杉树脂余弦接触角 cos θ之间的关系 。由于图 2与
图1一样呈现出非常好的线性 ,显然这意味着也可以应用Zisman经验方法作外推 ,得出与液体Hamaker
常数 AL有关但代表固体的 Hamaker常数 A S 。据图 2 可知挪威云杉树脂的临界 Hamaker常数 AC 约
为 4.18×10-20 J。由于此值是一个临界 Hamaker常数 ,还没有被人们所报道 ,所以本实验得到的 A C值
仅能与文献所报道的一些高分子材料的 AS 值做比较。比如 , 此值被发现略大于 PTFE 的
3.80×10-20 J ,但明显小于 PMMA 、PVC等高分子材料[ 9] 。这与前面得到 γC的结论依然是吻合的 。
78　 林　产　化　学　与　工　业 第 24 卷
图 1　烷烃的表面张力与挪威云杉树脂余弦接触角 cos θ
之间的关系
Fig.1　Relationship between surface tension of alkanes
and cos θof resin of Picea abies L.
图 2　烷烃的 Hamaker 常数与挪威云杉树脂余弦接触
角 cos θ之间的关系
Fig.2　Relationship between Hamaker constant of alkanes
and cos θof resin of Picea abies L.
3　结　论
应用接触角技术 ,研究挪威云杉树脂的一些表面性能 ,如临界表面张力 γC约为 18.48 mN/m 、临界
Hamaker常数 AC 约为 4.18×10-20 J。由于该 AC 值在 PTFE 、PMMA及 PVC等高分子材料的 AS 值之
间 ,说明该树脂的疏水性非常好。
值得指出的是 ,作者根据临界表面张力值计算的方法 ,类似地首次提出了计算固体临界 Hamaker
常数的方法。
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增刊 沈 青:挪威云杉树脂的临界表面张力和临界 Hamaker 常数 79