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兩類農用防霧涂層表面張力的深度計算與比較分析（二）
來源： 《聊城大學學報（自然科學版）》 瀏覽 161 次 發布時間:2025-12-30
四、結果深度剖析：數據揭示了什么？
1.表面張力計算結果的直接對比
根據文中提供的接觸角數據（水、二碘甲烷、甲酰胺在未處理PE、電暈PE及五種涂層上的接觸角），分別運用OW法和LW/AB法進行計算，得到了關鍵結論：
涂層顯著提升表面張力：無論采用哪種計算方法，所有涂層樣品的表面張力（γ_S）均大幅高于原始PE膜（~30 mN/m）和電暈處理PE膜（OW法:50.17，LW/AB法:35.88 mN/m）。這從熱力學上定量證實了表面改性及涂層的有效性。
OW法vs.LW/AB法的數值差異：一個引人注意的現象是，對同一樣品，OW法計算出的γ_S值普遍高于LW/AB法的計算結果。例如，對于PVA/Al?O?5:3涂層，OW法結果為73.02 mN/m，而LW/AB法結果為54.93 mN/m。這種差異源于兩種模型對極性相互作用處理的簡化程度不同。OW法將極性作用視為對稱的，而LW/AB法則引入了非對稱的酸堿作用描述。在實際應用中，這種差異提示我們，在引用表面張力數據時必須注明所采用的計算模型。
性能最優涂層的判定：根據OW法的排序，表面張力大小依次為：PVA/Al?O?5:3>AHB三元共聚物>PVA/Al?O?5:4>PVA/Al?O?5:2>電暈PE>原始PE。其中PVA/Al?O?5:3涂層表現最佳。而根據LW/AB法的排序，則為：PVA/Al?O?5:2>PVA/Al?O?5:3>PVA/Al?O?5:4>AHB三元共聚物>電暈PE>原始PE。雖然排序因方法而異，但兩種方法均明確指出，PVA/Al?O?系列涂層和AHB三元共聚物涂層的表面能提升效果顯著，且PVA/Al?O?涂層在最優配比下具有頂尖表現。
表面張力分量的啟示：從OW法的分量看，所有高表面張力涂層的高γ_S值主要來源于其極高的極性分量（γ^P_S>30 mN/m），遠高于其色散分量（γ^d_S~34-40 mN/m）。這正是親水防霧涂層的核心特征——通過引入大量極性基團（如-OH,-COOH）大幅提升表面極性。電暈處理PE的極性分量（14.47 mN/m）也有顯著提升，但不及專用涂層。從LW/AB法的分量看，這些涂層的電子給體參數（γ?_S）非常高（41.14-53.33 mN/m），而電子受體參數（γ?_S）則相對較低（0.30-2.92 mN/m），表明這些涂層表面主要表現為強電子給體（路易斯堿）特性，這與PVA、聚丙烯酸等材料富含可提供孤對電子的氧原子是相符的。
2.表面形貌與表面張力的關聯分析
FE-SEM和AFM圖像提供了另一維度的信息。
電暈處理使PE表面產生“毛狀纖維”和凹凸不平的結構，這是一種物理粗糙化。
涂覆PVA/Al?O?后，表面變得更為粗糙，Al?O?納米顆粒均勻分散在PVA基質中，形成了微納復合結構。AFM測得的粗糙度（Ra）順序為：PVA/Al?O?5:3>5:2>AHB三元共聚物>電暈PE。
一個關鍵且有趣的結論是：表面張力與粗糙度之間并未表現出簡單的正相關關系。例如，根據OW法，表面張力最高的PVA/Al?O?5:3涂層，其粗糙度也最大；但表面張力次高的AHB三元共聚物涂層，其粗糙度卻小于PVA/Al?O?5:2涂層。這強烈表明，對于本研究中的親水涂層，表面化學組成（即極性基團的種類、密度和排列）是決定其表面張力和潤濕性的主導因素，而表面粗糙度主要起到協同放大作用（即Wenzel效應）。不能簡單地認為越粗糙的表面親水性就一定越好，化學改性是基礎。
五、方法論的思考：OW法與LW/AB法在應用中的選擇
本研究同時運用兩種方法并對比其結果，具有重要的方法論意義。
簡便性與適用性：OW法只需兩種液體，計算過程簡單（線性擬合），非常適合用于材料的快速篩選和相對比較。對于以極性相互作用為主的親水性表面，它能給出有效的趨勢判斷。
精確性與物理內涵：LW/AB法需要三種液體，計算稍復雜（解三元方程），但能提供更豐富的表面性質信息（γ^LW,γ?,γ?）。對于涉及特異性酸堿相互作用、生物相容性等需要深入理解表面性質的研究，LW/AB法更具價值。
結果差異的啟示：兩種方法結果的系統性差異提醒科研人員，在報告表面張力數據時，必須明確計算方法、所用探針液體及它們的表面張力參數值。不同文獻中的數據，只有在計算方法一致的前提下才具有直接可比性。
六、總結與展望
本研究通過對兩類高性能農用棚膜防霧滴涂層（PVA/Al?O?雜化涂層與AHB三元共聚物涂層）的系統評測，不僅展示了其優異的親水防霧潛力，更通過嚴謹的表面張力計算，從理論層面深化了對涂層性能的理解。
核心結論如下：
1.表面涂覆法能極大地提升PE薄膜的表面能，主要歸功于涂層引入了高密度的極性基團。
2.OW法和LW/AB法均能有效表征涂層的高表面張力特性，但計算結果存在差異。OW法更為簡便實用，適合快速評估。
3.涂層的高表面張力主要源于其極高的極性分量（或電子給體能力），表面化學組成是決定性因素，粗糙度起輔助增強作用。
4.PVA/Al?O?涂層，特別是在5:3配比下，綜合表現突出。
對于未來的研究和技術開發，本文的工作指出了一些方向：首先，可以進一步結合兩種計算方法的優勢，更細致地分析涂層表面基團與液體分子的相互作用機制。其次，在涂層設計上，除了追求高表面張力，還應綜合考慮涂層的機械耐久性、耐候性、透光率保持率以及與基材的附著力等實用化指標。將表面熱力學數據與這些宏觀性能關聯起來，將能指導開發出綜合性能更優的下一代農用功能棚膜涂層。本研究為此奠定了堅實的實驗與理論基礎。