表面羧基构型与润湿性之间的热力学关联（英文）

摘要

以聚丙烯酸（PAA）薄膜为模型体系，通过调控分子量与固化温度，制备了一系列具有不同水润湿性的PAA薄膜.借助衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）解析，将薄膜表面羧基（COOH）的分子构型[自由羧基（COOH_f）和氢键结合羧基(COOH_HB)]与表面能的极性分量(γ^s,p)直接关联.通过将γ^s,p分解为COOH_f和COOH_HB的贡献之和，首次获得COOH_HB的本征表面能极性分量γ_HB^s,p*为8.34 mN/m，显著低于COOH_f的γ_f^s,p*（34 mN/m），这一结果表明氢键作用显著降低了表面的γ^s,p，合理解释了PAA薄膜表面较大水接触角的差异，并为通过润湿性反推表面COOH_HB的比例提供了热力学基础.进一步将该模型推广至羧基自组装单层（COOH-SAMs）体系时发现，表面COOH密度（∑COOH）对润湿行为具有关键调控作用：当∑COOH处于4.30～5.25 nm^-2时，COOH以自由态为主并可形成有效水合层，最有利于超亲水表面的实现.本研究不仅建立了表面COOH构型与宏观润湿性之间的定量热力学模型，还通过推广至COOH-SAMs体系验证了该模型的普适性，为多种COOH功能化表面亲水性的可控设计提供了统一理论框架.

关键词

聚丙烯酸薄膜 / 氢键 / 衰减全反射傅里叶变换红外光谱 / 羧基构型定量 / 表面能极性分量