液體對固體的可潤濕性與二者表面能的大小有關(guān)，當(dāng)液體潤濕固體時，液體表面張力越小、固體表面能越高，一般液體越易于在該固體表面鋪展。在粘接、涂覆或印刷時，需要固液間良好的潤濕性和相應(yīng)較高的固體表面能；在腐蝕和防霧等應(yīng)用場景，則需要較低的固體表面能。因此固體表面能的測量，在涂料、膠結(jié)、復(fù)合材料、3D打印等領(lǐng)域具有重要的實(shí)用意義。

固體表面能的測定可以利用接觸角法，根據(jù)楊氏方程，固液接觸角θ，液體表面張力γl，固液界面張力γsl以及固體表面自由能γs之間存在以下關(guān)系：

γs＝γl*cosθ+γsl(1)

Fowkes認(rèn)為，在分子間的各種相互作用都對表面能有貢獻(xiàn)，因此固液之間形成界面的界面張力同時滿足式(2)的關(guān)系：

其中γd，γp分別為表面能中的色散分量和極性分量。將(1)(2)聯(lián)立，得到固體表面能分量與接觸角之間的關(guān)系如式(3)所示，實(shí)踐中可以通過測定已知液體(探測液體)與固體間的接觸角，進(jìn)而算出固體表面能(極性分量與色散分量之和)：

傳統(tǒng)拉絲法制備的連續(xù)纖維，直徑一般大于10μm，探測液體與固體間的接觸角可以采用Sessile液滴法或Wilhelmy法測量，如圖1所示。

對于采用離心法或吹噴法制成的絮狀纖維，平均長度和平均直徑分別僅有2mm和～4μm，如圖2所示，難以實(shí)施上述兩種方法測量探測液體與絮狀纖維的接觸角，因此無法表征其表面能。

對于液體與粉末間接觸角的測量，通常采用Washburn法，即用底端具有過濾介質(zhì)的玻璃管承裝粉末，再將玻璃管底端與測試液體相接觸。由于毛細(xì)作用，液體被吸起，玻璃管質(zhì)量隨時間的增加而增加，懸吊在力傳感器可以記錄質(zhì)量的變化。這一過程中，粉末中的空隙起到毛細(xì)作用，可以用Washburn方程(4)來描述：

式中m＝質(zhì)量；t＝流動時間；σ＝液體的表面張力；c＝粉末的毛細(xì)常數(shù)；ρ＝液體密度；θ＝接觸角；η＝液體粘度。其中，質(zhì)量、流動時間、液體的密度、液體的表面張力、液體的粘度都可測量或查表得到，因此式(4)中僅有接觸角θ和粉末的毛細(xì)常數(shù)c是未知量。若想求出某液體與待測粉末的接觸角θ，可以通過利用另一已知接觸角的液體得到該體系的毛細(xì)常數(shù)c，對于同種粉末，毛細(xì)常數(shù)僅與體系壓實(shí)程度有關(guān)。目前確保粉末材料表面能測量中，體系壓實(shí)度相同的操作方法為：兩次在玻璃管中稱取同樣質(zhì)量的粉末后，通過震蕩使粉末在樣品管中高度相同，從而確保粉末在測量中的密實(shí)排列。

由于傳統(tǒng)測量連續(xù)纖維與探測液體接觸角的Sessile法和Wilhelmy法需要較大纖維長度和直徑才能實(shí)施測量，絮狀纖維直徑小，長度短，沒有達(dá)到能使用現(xiàn)有的接觸角測量手段的要求，因此通過現(xiàn)有的Sessile法和Wilhelmy法不能表征出絮狀纖維的表面能。

針對現(xiàn)有纖維表面能測量Sessile法和Wilhelmy法不適用于超細(xì)纖維的問題，下面通過Washburn法并結(jié)合設(shè)計(jì)的專用裝置，能夠解決超細(xì)纖維與液體接觸角不能測量的問題，從而實(shí)現(xiàn)精確測量超細(xì)纖維表面能的目標(biāo)。

一種超細(xì)纖維表面能測量方法，基于一套樣品容納裝置，裝置包括：

樣品管，用于容納樣品，樣品管的上端具有上端開口；

活動塞，包括塞體和端部，所述塞體與所述樣品管的所述上端開口緊密配合，活動塞的所述端部直徑大于所述樣品管的上端開口直徑；

所述樣品管的底部設(shè)有供液體流出的漏孔；

包括以下步驟：

S1、稱取所述樣品容納裝置的質(zhì)量m1；

S2、將待測超細(xì)纖維裝入所述樣品管，并壓實(shí)到樣品管上的標(biāo)記線位置；

S3、將活動塞塞入樣品管的上端開口，確保待測超細(xì)纖維的上表面與樣品管上標(biāo)記線持平，稱取樣品容納裝置及其中待測超細(xì)纖維的整體質(zhì)量m2，算出待測超細(xì)纖維質(zhì)量m＝m2-m1；

S4、在動態(tài)表面張力儀上測量管中待測超細(xì)纖維吸附該低表面能液體過程中重力-位移變化曲線；

S5、將測量后的待測超細(xì)纖維取出，清洗、晾干樣品管；

S6、重復(fù)裝填步驟S1～S3，確保本次裝填待測超細(xì)纖維的質(zhì)量與m相等；

S7、通過步驟S4得到的所述重力-位移變化曲線計(jì)算樣品管中該待測超細(xì)纖維的毛細(xì)常數(shù)c，使用該毛細(xì)常數(shù)c，在動態(tài)表面張力儀上測量管中待測超細(xì)纖維與探測液體1的接觸角CA1；

S8、重復(fù)步驟S5～S7，獲得待測超細(xì)纖維與探測液體2的接觸角CA2；

S9、通過接觸角CA1、接觸角CA2計(jì)算待測超細(xì)纖維的表面能。

步驟S4中，所述低表面能液體包括：正乙烷、碳氟化合物、正庚烷、正辛烷、甲醇、乙醚中的任意一種。

所述活動塞長度不超過所述樣品管內(nèi)腔高度的1/3。

所述活動塞的端部厚度范圍在2～5mm。

所述樣品管的管壁帶有標(biāo)記線，所述活動塞與樣品管緊密配合后，活動塞的塞體下緣能夠與所述標(biāo)記線平齊。

所述活動塞的材料包括橡膠、磨砂玻璃、松木中的任意一種。

所述探測液體根據(jù)待測超細(xì)纖維選擇，使探測液體與待測超細(xì)纖維的接觸角大于0，小于90°。

效果：

這種超細(xì)纖維表面能測量方法，基于Washburn法以及一套樣品容納裝置，能夠限制測量過程中纖維吸附液體后膨脹，確保體系常數(shù)測量和探針液體接觸角測量中，玻璃管中超細(xì)纖維的毛細(xì)常數(shù)相同，減小使用Washburn法測量時，由于纖維膨脹引起的測得的接觸角誤差，從而達(dá)到提高超細(xì)纖維表面能測量結(jié)果準(zhǔn)確性的目的。