界面科学基础教学大纲.docx

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界面科学基础教学大纲

《界面科学基础》教学大纲

一、课程基本信息

课程名称（中、英文）：

《界面科学基础》

（BasisofInterfacesScienceinPolymers）

课程号（代码）：

300026020

课程类别：

专业选修课

学时：

32学分：

2

二、教学目的及要求

物质的表界面与本体存在着很大的差异，表界面存在复杂的物理化学现象，这些表界面现象在高分子溶液、高分子乳液、涂料、粘合剂、高分子共混复合材料的制备和应用过程中都起到了非常重要的作用。

本课程在承继物理化学的基础上讲授了表界面的基础热力学理论，并对其在高分子领域的应用打好了理论基础，该课程的学习可以使高分子材料专业学生系统掌握材料的表界面特性及研究控制方法，是一门从基础学科学习向实际专业研究工作过渡的重要课程。

对毕业要求及其分指标点支撑情况：

（1）毕业要求1，分指标点1.2；

（2）毕业要求2，分指标点2.1

三、教学内容（含各章节主要内容、学时分配，并红字方式注明重点难点）

第一章绪论（1学时）

简要介绍表面和界面的基本概念，表界面现象的特点，表界面现象研究在高分子材料科学中的重要意义。

使学生对本课程的学习内容和学习方法建立整体概念。

第二章液体的表面（2学时）

主要内容

2.1表面张力与表面自由能（1学时）

表面张力概念

表面自由能概念

表面自由能定性解释

表面自由能的分子理论

影响表面张力的因素：

物质的本性、温度的影响、压力的影响

表面热力学基础：

表面张力的广义热力学定义、表面熵、表面能与表面焓

2.2弯曲液体的表面现象（1学时）

弯曲液面下的附加压力

附加压力与曲率半径的关系

毛细现象

Kelvin公式

其中教学重点是表面张力与表面自由能概念、影响表面张力的因素，难点是表面热力学基础。

第三章溶液的表面张力和表面吸附（4学时）

主要内容

3.1溶液的表面张力（0.5学时）

水溶液表面张力的三种类型

特劳贝规则

表面活性物质与表面活性剂

3.2溶液的表面吸附（1学时）

表面吸附量、吉布斯吸附公式及应用、溶液表面吸附等温线

表面活性物质在溶液表面的吸附：

表面活性物质在溶液表面上的定向排列、表面活性物质的饱和吸附量

3.3表面活性剂的结构特点及分类（1学时）

表面活性剂的结构特点：

两亲结构。

按表面活性剂的亲水基分类：

阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、两性型表面活性剂、非离子型表面活性剂、混合型表面活性剂

按表面活性剂的疏水基分类：

高分子表面活性剂、新型表面活性剂、双子型表面活性剂、Bola型、生物表面活性剂

3.5表面活性剂溶液的性质（0.5学时）

表面活性剂的溶解度与温度的关系

表面活性剂的活性

表面活性剂的效率与能力

表面活性剂的HLB值

3.6胶束（1学时）

胶束的形成

胶束的结构、大小与形状

临界胶束浓度

胶束的作用：

增溶作用、催化作用

反胶束及囊泡

其中教学重点是表面活性剂定义、结构特点、分类，表面活性剂的效率与能力，表面活性剂的HLB值，临界胶束浓度，胶束的作用，难点是吉布斯吸附公式及应用。

第四章乳状液、微乳状液及泡沫（5学时）

主要内容

4.1乳状液（2学时）

乳状液的概念及类型、类型的鉴别、影响乳状液类型的因素

乳状液的制备和物理性质：

液滴的大小和外观、光学性质、黏度、电导

乳化剂的分类与选择

乳化剂的分类：

合成表面活性剂、高分子聚合物乳化剂、天然乳化剂、固体颗粒乳化剂

乳化剂的选择：

一般原则，常用方法：

HLB法、PIT法

乳状液稳定性的影响因素：

界面膜的形成、界面电荷、黏度、液滴大小及分布

乳状液的变形和破乳

（1）变形定义

（2）影响变形的因素：

乳化剂类型、粗体积比、温度、电解质

（3）乳状液的破坏过程：

分层、絮凝、聚结、相分离

（4）破乳方法：

化学法、顶替法、电破乳法、加热法、机械法

4.2微乳状液（1学时）

微乳状液的概念、微乳状液的类型、微乳状液的微观结构

微乳状液的形成（Schulman法、Shah法）和性质

影响微乳形成及其类型的因素：

表面活性剂分子几何构型、助表面活性剂、反离子、阴阳离子表面活性剂混合物、表面活性剂疏水基支链化、电解质、温度

微乳状液体系的相行为

微乳状液形成的机理：

负界面张力理论、增溶理论、构型熵理论

4.3微乳状液的应用（1学时）

微乳液聚合

微乳液聚合方式：

反相微乳液聚合、正向微乳液聚合、双连续相微乳液聚合

影响微乳液聚合的因素：

表面活性剂、单体滴加方式、引发剂

微乳液聚合研究新进展

微乳液其他应用：

化妆品、清洁剂、微乳燃料、微乳油、微乳药物、微乳液作为反应介质、微乳采油

4.4泡沫（1学时）

多面体泡沫、泡沫的含义、特点

泡沫的稳定与破坏

泡沫体系的不稳定性及原因：

排液、膜的破裂、气体的扩散

影响泡沫稳定性的因素：

Marangoni效应、表面粘度、液膜表面电荷

泡沫的作用与消泡

泡沫的应用：

泡沫分离、泡沫浮选、离子浮选、油田开发

消泡：

泡沫的副作用、消泡剂的种类和作用机理。

其中教学重点和难点是乳状液的概念及类型、类型的鉴别、影响乳状液类型的因素，乳状液稳定性的影响因素，影响微乳形成及其类型的因素、微乳液聚合

第五章膜的化学（2学时）

主要内容

5.1膜的定义

5.2不溶物单分子层膜

不溶性单分子层膜的形成

不溶性单分子层膜的性质：

表面压、表面膜电势、表面黏度、表面膜的光学性质

不溶物单分子层膜的各种聚集状态

单分子层膜的应用

5.3LB膜

LB膜的制备、LB膜的类型、LBM的应用

5.4BLM、脂质体与囊泡

人工双层脂质膜（BLM）

脂质体与囊泡

双层脂质膜与生物膜模拟

5.5自组装膜

其中重点和难点是不溶物单分子层膜概念、不溶性单分子层膜的形成和性质、自组装膜。

第六章固体的表面性质（3学时）

6.1固体的表面性质

固体表面特点

固体表面能与表面张力

6.2气体在固体表面的吸附

气体在固体表面的吸附方式：

物理吸附和化学吸附，两种吸附的特点和机理区别

吸附热与吸附等温式：

吸附热、Langmuir吸附等温式、BET吸附等温式

影响吸附的主要因素：

温度、压力、吸附剂和吸附质

气固吸附的应用

6.3液体对固体的润湿作用

Young方程和接触角

Young方程的推导及意义

接触角滞后：

接触角滞后现象，接触角滞后的原因

表面粗糙度对润湿影响及应用

6.4固体表面的润湿性与临界表面张力

低能表面和高能表面、临界表面张力、高能表面的自憎现象、表面活性剂对固体表面润湿性的影响

6.5固-液界面张力与界面张力的计算方法

固-液界面张力，界面张力的一般计算式

其中重点和难点是气体在固体表面的吸附方式、Langmuir吸附等温式、Young方程和接触角、Young方程的推导及意义、接触角滞后现象及原因、表面粗糙度对润湿影响以及在高分子材料中的应用。

第七章高分子的表面及界面特征（5学时）

7.1高聚物的表面张力与界面张力（1.5学时）

高聚物固体的表面张力测定方法：

利用高聚物液体或熔体的表面张力与温度关系外推求得固体表面张力、Zisman的浸润临界表面张力法、利用高聚物液体表面张力和分子量关系外推求得

高聚物二元体系的表面张力：

共聚与共混体系，包括无规共聚、共混、嵌段与接枝共聚，添加剂的影响

高聚物共混复合材料的界面张力及影响因素：

温度、极性、添加物

7.2高聚物的粘接作用（1.5学时）

高聚物的粘结现象

界面粘接理论：

主要介绍润湿理论、吸附理论、化学键理论、静电理论、扩散理论

聚合物的分子结构与粘接性能：

粘结剂内聚力、极性基团、聚合度、分子量

改善聚合物粘结的方法

7.3高聚物的表面改性（2学时）

高聚物表面改性的意义

电晕放电处理

火焰处理和热处理

化学改性：

包括含氟高聚物、聚烯烃、聚酯与聚醚、橡胶等材料的化学改性

光化学改性

等离子体表面改性

表面接枝：

接枝聚合法、偶合接枝法、添加接枝共聚物法

本章是重点章节，教学重点和难点是高聚物二元体系的表面张力的影响因素，以及根据这些规律如何对聚合物改性从而获得所需的表面张力；界面粘接理论、聚合物的分子结构与粘接性能、改善聚合物粘结的方法；高聚物表面改性的意义及主要方法。

第八章高分子共混复合材料的界面化学（8学时）

8.1高分子共混复合材料的界面研究意义（0.5学时）

8.2高分子增强材料的界面研究（3学时）

增强纤维的表面特征：

表面形态的形成及特点、纤维的表面形态对树脂浸润纤维的影响、主要纤维的表面物理特性、主要纤维的表面化学特性

高聚物增强复合材料界面的形成与界面结构：

界面的形成过程，润湿和反应，界面结构，树脂抑制层、界面区

影响界面粘接强度的因素：

表面形态、浸润性、表面反应性、残余应力、界面水

高聚物增强复合材料界面理论：

主要介绍浸润性理论、化学键理论、可逆水解键理论、可变形层理论

8.3高聚物填充复合材料界面研究（2学时）

粉体填料的表面特性

主要填料品种及特点

偶联剂的种类及机理

偶联剂处理填料填充聚合物的性能

8.4高聚物共混材料界面研究（2.5学时）

高聚物共混物界面的形成、结构和性质

共混物界面的理论研究

影响扩散系数的因素：

粘度、分子量、温度、浓度

改善共混物界面相容性的方法：

控制高聚物粘度比、控制分散相的分子量、加增容剂、剪切作用、温度

高聚物共混体系的增容剂及其作用：

增容剂的结构、理论用量

改善界面相容性对高聚物共混体系力学性质的影响

本章也是重点章节，重点和难点是高聚物增强复合材料界面结构、影响界面粘接强度的因素、高聚物增强复合材料界面理论（重点是化学键理论、可逆水解键理论）；偶联剂的种类及机理；改善共混物界面相容性的方法，增容剂的结构、理论用量

第九章界面科学研究方法（3学时）

9.1液体表面张力的测定

毛细管法、最大气泡压力法、滴重法、吊环法、吊板法

9.2接触角的测定

停滴法、吊片法、电子天平法

9.3扫描电镜技术

扫描电镜技术的制样方法

扫描电镜技术在界面研究中的应用实例

9.4原子力显微镜

原子力显微镜的理论基础和成像模式

原子力显微镜在聚合物表界面研究中的应用

9.5XPS能谱分析

XPS能谱分析原理

XPS能谱分析应用：

表征复合材料各组分相互作用、表征偶联剂的偶联作用

9.6光谱技术

9.7放射性示踪原子技术

本章重点在于液体表面张力和接触角的测定方法；扫描电镜、原子力显微镜和XPS能谱分析在界面研究中的应用

四、教材（名称、作者、出版社、出版时间）

《界面科学基础》，任显诚主编讲义，2015年。

五、主要参考资料

1、界面化学，颜肖慈，罗明道编著，化学工业出版社，2005年。

2、表面物理化学，滕新荣主编、化学工业出版社，2009年。

3、高分子表面化学，沈青著，科学出版社，2014年。

4、胶体与表面化学，沈钟、赵振国、康万利编著，化学工业出版社，2011年。

六、考核方案（注明期末、期中、平时成绩所占的比例，或理论考核、实践考核成绩所占的比例）

课程总成绩中，期末占50%，平时成绩50%。

平时成绩构成：

随机进行6次课堂作业，将六次作业的平均成绩折合为百分制的平时成绩。