液體對固體的可潤濕性與二者表面能的大小有關(guān)，當液體潤濕固體時，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認為，在分子間的各種相互作用都對表面能有貢獻，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常數(shù)c，對于同種粉末，毛細常數(shù)僅與體系壓實程度有關(guān)。目前確保粉末材料表面能測量中，體系壓實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施測量，絮狀纖維直徑小，長度短，沒有達到能使用現(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法不適用于超細纖維的問題，下面通過Washburn法并結(jié)合設(shè)計的專用裝置，能夠解決超細纖維與液體接觸角不能測量的問題，從而實現(xiàn)精確測量超細纖維表面能的目標。

一種超細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、將待測超細纖維裝入所述樣品管，并壓實到樣品管上的標記線位置；

S3、將活動塞塞入樣品管的上端開口，確保待測超細纖維的上表面與樣品管上標記線持平，稱取樣品容納裝置及其中待測超細纖維的整體質(zhì)量m2，算出待測超細纖維質(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-位移變化曲線計算樣品管中該待測超細纖維的毛細常數(shù)c，使用該毛細常數(shù)c，在動態(tài)表面張力儀上測量管中待測超細纖維與探測液體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計算待測超細纖維的表面能。

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)待測超細纖維選擇，使探測液體與待測超細纖維的接觸角大于0，小于90°。

效果：

這種超細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，玻璃管中超細纖維的毛細常數(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，從而達到提高超細纖維表面能測量結(jié)果準確性的目的。