表面张力：影响涂布质量的重要变量

摘要：表面张力是重要的流体界面现象，是影响涂布质量的核心参数之一。各种产品在涂布过程中的润湿、流平与干燥阶段，都受到表面张力的深刻影响。若不加以有效控制，便会引起缩孔、桔皮、边缘效应等缺陷。理解其作用机理，是迈向高质量涂布的关键一步。本文将系统介绍表面张力的定义、典

表面张力是重要的流体界面现象，是影响涂布质量的核心参数之一。各种产品在涂布过程中的润湿、流平与干燥阶段，都受到表面张力的深刻影响。若不加以有效控制，便会引起缩孔、桔皮、边缘效应等缺陷。理解其作用机理，是迈向高质量涂布的关键一步。本文将系统介绍表面张力的定义、典型缺陷及解决方案、检测方法。

01 相关定义

表面张力（常用单位： N/m ）是液体表面层由于分子引力不均衡而产生的沿表面作用于任一界线上的张力。

表面张力示意图

以球形液滴铺展到表面为例，表面积变大意味着液体内部的某些分子被“拉到”表面并铺展。当内部分子被拉到表面时，需要克服内部分子的吸引力而做功。因此，表面张力也可定义为增加单位表面积所做的功。

按研究维度，表面张力相关概念包括：

1. 静态表面张力 ：平衡状态下液体（在气相中）的表面张力。

2. 动态表面张力 ：液体表面新形成或受到扰动时（如在涂布辊高速转移、流平过程中），表面张力随表面形成时间（时效）变化的值。

3. 表面能 ：创造单位面积的固体表面所需做的功，一般通过测量一种已知表面张力的液体在固体表面的接触角，利用杨氏方程来反推固体的表面能。

4. 接触角（θ） ：固 - 液 - 气三相点处液滴轮廓的切线（与固体表面）的夹角，评价润湿性好坏的直接、可测量的指标。

θ ° : 润湿性好（亲液）

θ > 90 ° : 润湿性差（疏液）

表面张力—影响润湿过程—体现为接触角的变化—最终决定涂布质量。

接触角示意图

5. 前进角、后退角和滞后角：

液滴前缘开始向前移动瞬间的接触角，反映液体“铺展前沿”克服基材阻力的能力；

液滴后缘开始后退瞬间的接触角，反映液体“回缩前沿”抵抗脱离基材的能力；

θ偏小回缩越大，液体易从边缘回缩，形成锯齿状边缘、厚边或不规则缩边。

③ 滞后角 CAH

CAH= θa - θr（ 5~50 °）

低 CAH （ θa ≈ θr ）：涂布后，湿膜边缘收缩和铺展阻力小，液体回缩量小，易形成平直、锐利、规则的边缘轮廓（如高清印刷图案、光伏电池电极）；

高 CAH ：横向厚度不均；阻碍气泡逸出，形成针孔；使局部弯液面运动受阻，延缓流平速率，导致刷痕、辊痕。

（ A ）液固相对静止；（ B ）液固相对移动

02 典型缺陷及解决方案

01 典型缺陷

缩边

现象：在涂层的边缘、尖角或薄层区域，涂层向中心收缩，导致边缘覆盖不良、变薄甚至露出基材。

成因：涂布液的表面张力高于基材的临界表面张力，导致涂布液无法润湿基材，从而从能量较高的边缘区域收缩回来。

缩边缺陷示意图

缩孔 / 针眼 / 鱼眼

涂层表面出现小而圆、类似火山口或碗状的凹陷缺陷。根据具体形态和成因，通常细分为以下两种：

·缩孔（通常指针眼） ：

现象：涂层表面出现单一的、中心没有可见颗粒的凹陷点。

成因：主要源于涂层内部存在低表面张力的污染点（如未分散的助剂颗粒、微小油滴等）。同时，底层（基材）的表面张力高于涂层。液体从低表面张力的污染点向外（向高表面张力处）拉扯流动，导致涂层无法均匀铺展，从而在中心区域下陷形成孔洞。

·鱼眼 ：

现象：与缩孔类似，但凹陷点的中心通常可见一个微小的颗粒或杂质，形态类似鱼的眼睛。

成因：主要源于基材表面存在孤立的、极低表面张力的污染点（如硅油、油脂、尘埃等）。涂层液体完全无法润湿该污染点，被迫在其周围收缩，将污染物包围并暴露在中心，形成明显的“鱼眼”特征。

缩孔 / 针眼 / 鱼眼缺陷示意图

橘皮

现象：涂层表面呈现类似橘皮的不规则波纹起伏。

成因：涂层流平性差。通常因涂布液黏度过高或表面张力过高，导致其在干燥前无法凭借表面张力充分流平。也可能由于溶剂挥发导致表面张力不均，引发贝纳德涡流。

橘皮缺陷示意图

贝纳德涡流 缺陷

现象：涂层出现规则的六边形蜂窝状斑纹或颜色不均。

成因：涂层干燥过程中，表层和底层溶剂挥发速率不同，导致温度和表面张力不均。表层表面张力高的区域会拉扯下层液体上升，形成对流涡流，将颜料或填料携带到特定区域聚集。

贝纳德涡流缺陷示意图

气泡

现象：涂层中出现的封闭型或开放型的球形空腔。

成因：气泡在涂层固化前被包裹并稳定存在，破裂后表面张力驱使周围液体难以回填，从而形成永久缺陷。

气泡缺陷示意图

流平不均

现象：在涂层出现不均匀的条纹或帘子状的痕迹。

成因：涂布液表面张力过大，导致流平时间延长，从而出现流平问题。

流平不均缺陷示意图

02 解决方案

基材预处理

通过物理、化学或能量手段改变基材表面性质，以提升涂层附着力、润湿性和均匀性。其核心目标是调控基材的表面能、粗糙度和化学活性，使其与涂液性质匹配。

涂层附着力的影响因素

涂布液配方调整

根据杨氏方程，涂布液的表面张力需低于被涂覆物的表面张力才能形成良好的浸润。此外，低表面张力涂布液有利于颜料的润湿和分散。因此溶剂表面张力的选择，直接影响了涂布液的表面张力。

表 1 常见聚合物表面张力汇总

表2 常见溶剂表面张力汇总

工艺参数

·调整涂布速度与方式 ：

涂布速度直接影响涂层液对基材的动态润湿过程。速度过快，涂布液来不及充分铺展和渗透，容易裹入空气，形成缺陷。

·涂布液温度 ：

对于绝大多数纯液体和溶液（无论是牛顿还是非牛顿流体）， 升高温度会降低其表面张力 ，使涂布液更容易流平；表面张力降低能改善其对高表面能基材的润湿性。

癸烷与温度的表面张力值

（图片 Pressure–Surface Tension–Temperature Equation of State for n-Alkanes ）

·优化干燥条件：

干燥过程决定了涂层从液态变为固态的演变。如果表面干燥过快（如高温急速干燥），表层黏度迅速增大甚至结皮，会封住内部溶剂。当内部溶剂继续挥发时，会冲破已固化的表层，形成针孔。同时，过快的干燥没有给涂层足够的流平时间，表面张力来不及将表面抹平就已固化，会放大橘皮等缺陷。

03 表面张力测试方法

01 静态法

吊片 / 吊板法

原理：通过测量薄片脱离液面瞬间的拉力，该拉力与液体表面张力成正比，从而计算表面张力。

优点：直观可靠，不需要校正因子，还可以测量液 - 液界面张力。

缺点：对薄片的清洁度和垂直度要求极高。

铂金板法工作原理示意图

吊环法

原理：通过测量环被拉离液面时的最大拉力，该力与环的周长成正比，从而计算表面张力。

将铂金环从液面拉起，测量将环拉离液面所需的最大力。该力与液体表面张力成正比。

优点：操作相对简单。

缺点：需要校正因子来修正被拉起的液体形状带来的误差。

吊环法工作原理示意图

悬滴法

原理：通过分析悬垂液滴在重力与表面张力平衡下的轮廓形状，根据 Young-Laplace 方程计算表面张力。

优点：可检测极少样品量；可测液 - 液界面张力。

缺点：需要高精度的光学系统和复杂的图像分析算法。

毛细管上升法

原理：通过测量液体在毛细管中因表面张力而上升的高度，根据 Young-Laplace 方程计算表面张力。

优点：测量精度高。

缺点：操作繁琐，耗时较长。

02 动态法

最大气泡压力法

原理：通过测量毛细管端冒出气泡所需的最大压力，该压力与气泡的最小曲率半径和液体表面张力相关，从而计算表面张力。

优点：适用于高温、高压和粘稠液体。

缺点：需要精确控制气流速度和毛细管尺寸；数据处理相对复杂。

滴体积法 / 滴重法

原理：通过测量脱离管口的液滴重量或体积，该值与表面张力和管口半径成正比，从而计算表面张力。

优点：装置简单；可通过控制滴落速率来研究不同表面年龄下的动态张力；适用于液 - 液界面。

缺点：精度一般；校正因子复杂。

表面张力是控制涂布质量的核心物理因素，贯穿于从液滴铺展到薄膜固化的全过程。它通过影响涂液的润湿性与流平性，直接决定了涂层的最终外观与性能。理解表面张力与基材表面能之间的平衡关系，是避免缩孔、鱼眼、橘皮、缩边等缺陷的关键。通过准确测量动 / 静态表面张力与接触角，并据此指导基材处理、配方调整与工艺优化，可以实现对涂布过程的精准调控，从而获得均匀、完整的高品质涂层。

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