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以接觸角為“眼”：洞察耐磨試驗中涂層表面的微觀演變
發(fā)布時間：2025-11-24 點(diǎn)擊次數(shù)：89
在材料科學(xué)與表面工程領(lǐng)域，涂層的耐磨性是其耐久性和使用壽命的關(guān)鍵指標(biāo)。傳統(tǒng)的耐磨測試通常通過觀察宏觀的磨痕深度、重量損失或肉眼可見的劃痕來評價性能。然而，這些方法往往忽略了摩擦過程中涂層表面化學(xué)性質(zhì)與微觀結(jié)構(gòu)的精細(xì)變化。下面將一起探討如何將耐磨試驗機(jī)與接觸角測量儀聯(lián)用，通過監(jiān)測摩擦前后接觸角的精確變化，來靈敏、定量地揭示涂層表面的演變規(guī)律。
接觸角，是指液滴在固體表面達(dá)到平衡時，在氣-液-固三相交點(diǎn)處形成的夾角。它直接反映了固體表面的物理化學(xué)狀態(tài)，是表面自由能（簡稱表面能）的“晴雨表”。
高接觸角（>90°）：通常意味著表面具有低表面能和疏液性（如疏水性）。涂層表面可能存在非極性化學(xué)基團(tuán)或具有微觀粗糙結(jié)構(gòu)。
低接觸角（<90°）：通常意味著表面具有高表面能和親液性（如親水性）。涂層表面往往暴露更多極性化學(xué)基團(tuán)，且較為光滑。
當(dāng)涂層經(jīng)受耐磨試驗機(jī)的摩擦后，其表面會發(fā)生一系列變化，這些變化會直接導(dǎo)致接觸角的改變。摩擦如何引起涂層表面變化并影響接觸角？在耐磨試驗中，摩擦副（如磨輪、砂紙）對涂層表面的作用不僅是簡單的機(jī)械剝離，更是一場復(fù)雜的物理化學(xué)過程：
1、表面化學(xué)基團(tuán)暴露：
初始狀態(tài)：許多高性能涂層（如含氟、硅涂層）的表面經(jīng)過精心設(shè)計，富集了低表面能的化學(xué)物質(zhì)，使其具有高接觸角（疏水）。
摩擦后：摩擦作用會磨損掉這層低表面能物質(zhì)，暴露出涂層內(nèi)部或基底的高表面能化學(xué)基團(tuán)。例如，氟碳鏈被磨掉后，可能暴露出下面的環(huán)氧樹脂或聚氨酯鏈段，這些基團(tuán)極性更強(qiáng)，更親水。結(jié)果：接觸角顯著下降。
2、表面形貌與粗糙度改變：
初始狀態(tài)：涂層可能具有特定的微觀粗糙度，根據(jù)Wenzel或Cassie-Baxter模型，這種結(jié)構(gòu)可以放大其本征的疏水或親水特性。
摩擦后：摩擦?xí)髌轿⑼贵w，改變原有的粗糙結(jié)構(gòu)。這可能破壞超疏水狀態(tài)，使表面從“氣墊”支撐的Cassie狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐旱瓮耆櫟?/span>Wenzel狀態(tài)。結(jié)果：對于疏水涂層，接觸角會下降，甚至可能伴隨接觸角滯后（滾動角）的急劇增大。
3、表面污染與氧化：
摩擦產(chǎn)生的高溫和機(jī)械能可能引發(fā)涂層表面的高分子鏈斷裂，產(chǎn)生新的活性位點(diǎn)，使其在空氣中更容易吸附污染物或發(fā)生氧化反應(yīng)，生成更多極性基團(tuán)。結(jié)果：接觸角隨時間發(fā)生變化，通常向親水化方向發(fā)展。
實驗流程如下：
1.制備樣品：制備具有待測涂層的平整試片。
2.初始表征：使用接觸角測量儀，在涂層表面未摩擦區(qū)域測量至少5個點(diǎn)的靜態(tài)接觸角，取3.平均值作為初始值（θ?）。
4.耐磨試驗：使用耐磨試驗機(jī)（如Taber耐磨、線性摩擦磨耗機(jī)等），在設(shè)定的負(fù)載、轉(zhuǎn)速和周期下，對涂層特定區(qū)域進(jìn)行摩擦。
5.后期表征：在摩擦區(qū)域內(nèi)部及邊緣，再次測量接觸角（θ?）。為了更全面地評估，還可以測量前進(jìn)角和后退角，以計算接觸角滯后。
6.對比分析：系統(tǒng)比較θ?和θ?，并觀察摩擦周期與接觸角變化（Δθ = θ? - θ?）之間的關(guān)系。
耐磨試驗機(jī)模擬了涂層的服役磨損，而接觸角測量則如同一只敏銳的“眼睛”，窺視著磨損背后表面化學(xué)與物理狀態(tài)的微觀變遷。通過追蹤摩擦前后接觸角的變化，我們不僅能更早、更精確地判斷涂層的失效，更能從機(jī)理層面理解其性能演變規(guī)律，從而為指導(dǎo)新涂層的配方設(shè)計、工藝優(yōu)化和質(zhì)量控制提供至關(guān)重要的科學(xué)依據(jù)。
