ISO 19403-52024 色漆和清漆.润湿性.第5部分从接触角测定液体表面张力的极性和分散性部分.对仅对其表面能有分散作用的固体的测量标准立项发展报告

色漆和清漆润湿性第5部分：从接触角测定液体表面张力的极性和分散性部分对仅对其表面能有分散作用的固体的测量标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Paintsandvarnishes—Wettability—Part5:Determinationofthepolaranddispersivefractionsofthesurfacetensionofliquidsfromcontactanglesmeasurementsonasolidwithonlyadispersecontributiontoitssurfaceenergy摘要本报告旨在系统阐述ISO19403-5:2024《色漆和清漆润湿性第5部分：从接触角测定液体表面张力的极性和分散性部分对仅对其表面能有分散作用的固体的测量》标准的立项背景、核心内容、技术价值及发展前景。随着涂料工业向高性能、环保化、功能化方向迈进，对涂层表面润湿行为的精准表征成为优化配方设计、保障涂装质量、提升产品性能的关键环节。本标准的制定，解决了长期以来在测定液体表面张力极性与分散性组分时，因缺乏针对仅具有色散表面能固体（如聚四氟乙烯、聚乙烯等）的专用测量方法而导致的精度不足、数据可比性差等共性问题。标准详细规定了基于Owens-Wendt-Rabel-Kaelble(OWRK)理论的实验方法，明确了接触角测量的标准操作、固体表面预处理要求、数据处理公式及结果有效性评判准则。报告深入分析了标准在促进涂料原材料质量控制、涂层失效分析、新型润湿剂开发等方面的实用性价值，并指出其与ISO19403系列其他部分共同构建了完整的润湿性表征体系。结论部分强调，该标准的发布不仅是计量方法的完善，更是推动涂料行业由经验化向数据化转型的重要标志，对提升我国涂料产品在国际市场的竞争力具有重要指导意义。关键词：润湿性；表面张力；接触角；极性与分散性；色漆和清漆；ISO19403；标准化Keywords：Wettability;SurfaceTension;ContactAngle;PolarandDispersiveFractions;PaintsandVarnishes;ISO19403;Standardization1.引言润湿性是表征液体在固体表面铺展能力的关键物理参数，在涂料、胶粘剂、油墨、印刷及生物医药等众多领域具有举足轻重的地位。对于涂料工业而言，涂料的润湿性直接决定了其能否在基材表面形成均匀、连续、附着力良好的涂层。若润湿性不佳，易导致缩孔、橘皮、附着力差等涂层缺陷，严重损害涂料的防护装饰性能。因此，精准测量和表征液体的表面张力及其极性-色散组分构成，是科学评价涂料润湿能力、优化配方、指导施工工艺的基石。在表面张力的理论框架中，液体表面张力（γL）通常被视为色散（非极性）分量（γL^D）和极性分量（γL^P）之和。这一分离对理解液体与固体之间的相互作用至关重要。目前，主流的计算方法（如OWRK法）需要测量液体在不同已知表面能固体上的接触角，通过求解方程组来获得γL^D和γL^P。然而，现有的国际标准，如ISO19403-4，主要针对具有极性-色散混合表面能的固体（如聚丙烯）提供了测量方法。当使用仅具有色散表面能的固体（如聚四氟乙烯，PTFE）时，由于其在OWRK模型下只有唯一的表面能参数γS^D（γS^P=0），这使得方程组只有一个可测量变量，导致通过多点法（测量多种固体）无法得到唯一解，或者直接计算出的液体极性组分产生显著偏差。为解决这一技术瓶颈，国际标准化组织（ISO）技术委员会ISO/TC35《色漆和清漆》制定了ISO19403-5:2024。该标准作为ISO19403《色漆和清漆润湿性》系列标准的重要组成部分，专门针对“仅对其表面能有分散作用的固体”这一特殊但实践中广泛应用的固体类型（如PTFE、聚乙烯PE、聚丙烯PP等），规定了从接触角测量计算液体表面张力极性和分散性组分的精确方法。本标准的出台，填补了润湿性测量领域的标准空白，为行业提供了一套更为严谨、可靠的技术规范。2.标准立项背景与目的2.1行业技术需求涂料工业正处于向高性能化、功能化和环境友好化转型的关键时期。水性涂料、高固体分涂料、紫外光固化涂料等新型体系的开发对润湿性提出了更高要求。例如，水性涂料在非极性基材（如塑料、汽车涂装底材）表面的润湿问题尤为突出。准确测量改性和助剂（如润湿剂、流平剂、消泡剂）对液体表面张力极性-色散组分的定量影响，是配方设计师判断助剂效能、预测涂层流平性的核心依据。过去，由于缺乏对PTFE等表面能单一固体测试系统的标准方法，行业内普遍采用简化模型或经验公式进行评估，结果常出现“假极性”或无法解析，阻碍了配方的精准调控。因此，亟需一项统一的标准方法，以提升评价的科学性和数据的互认性。2.2已有标准的局限性ISO19403-4中提供的固体夹具测量法或滴形分析法，适用于表面能具有极性和色散分量的固体标准参数。但当固体表面的极性贡献（γS^P）等于0时，该方法中的两个方程变得线性相关，无法解出两个未知数。具体而言，当在PTFE（γS≈18.5mN/m，且γS^P≈0）上测量两种液体的接触角时，得到的两个含有γL^D和γL^P的方程实际上源自同一条OWRK拟合直线，导致计算无唯一解或产生极大的误差。行业内操作者往往不得不舍弃PTFE等材料的数据，转而依靠数据稳定性较差的聚丙烯、聚甲醛等材料，但后者本身的表面能又会随加工、环境老化而变化，反而引入了更多的不确定性。2.3标准制定目的基于上述背景，ISO/TC35决定立项制定ISO19403-5，其核心目的为：1.建立专用测量方法：详细规定使用一种特定的、仅具色散表面能固体（如PTFE或高密度聚乙烯HDPE）作为标准固体，通过测量一种或多种已知表面张力液体在该固体上的接触角，结合已知的γS，利用一步推导计算法（而非方程组求解）来确定被测液体的γL^D。2.明确区分极性贡献：根据γL^P=γL-γL^D的关系，准确得出液体的极性分数。3.提升测量精度与重复性：通过严格控制固体表面清洁度、测量环境（温度、湿度）、液滴体积、固-液接触时间等参数，将测量不确定度降至最低，确保不同实验室间数据的可比性。4.完善标准体系：作为ISO19403系列标准的扩展，与第1部分（术语）、第2部分（固体表面自由能）、第3部分（接触角测量）、第4部分（在极性-分散混合固体上的液体表面张力测量）共同形成覆盖全部应用场景的技术规范闭环。2.4国际协调与法规依据本标准的制定严格遵循了《ISO/IEC导则第2部分：国际标准的结构和起草规则》及《ISO/IEC导则第1部分：技术工作程序》。项目由ISO/TC35(Paintsandvarnishes)/SC9(Generaltestmethodsforpaintsandvarnishes)工作组WG26负责推进。在起草过程中，工作组广泛征询了来自欧洲涂料协会（CEPE）、美国材料与试验协会（ASTM）、中国涂料工业协会及其它主要涂料生产国的专家意见，确保标准技术内容的先进性与全球适用性。标准中包含的OWRK理论公式已通过国际同行评议，具有坚实的物理化学基础。3.标准主要内容与技术解析ISO19403-5:2024标准正文共包含9章及多个规范性附录，系统性地阐述了测试原理、仪器设备、材料、试验步骤、计算方法及结果报告。3.1范围界定标准明确限定了其适用范围：适用于通过测定液体在“仅对其表面能有分散作用”的固体（即其表面自由能仅由色散分量组成，极性分量为0）上的静态接触角，来计算出该液体表面张力的极性（γL^P）与色散（γL^D）分数。明确指出，此方法不能替代ISO19403-4中基于混合固体表面的多点法，而是在必须使用PTFE等固体时的精确替代方案。该范围清晰地界定了标准的应用场景，避免了方法误用。3.2规范性引用文件与术语定义标准引用了ISO19403系列（第1部分中的术语和定义，第2部分对固体表面自由能的计算方法要求，第3部分接触角测量的规定）、ISO80000-1（量和单位-第1部分：一般原则）等基础标准。充分体现了标准体系内部的协调一致性。新增的且需要特别定义的术语包括：*仅具分散作用的固体(Solidwithonlyadispersecontribution)：指其表面自由能的极性分量（γS^P）理论上为0的固体。通常为非极性聚合物等。*色散分数(Dispersivefractionofsurfacetension)：γL^D与总表面张力γL的比值。*极性分数(Polarfractionofsurfacetension)：γL^P与总表面张力γL的比值。3.3测试原理标准的核心理论基础是Good-Girifalco-Fowkes-Young方程和Zizman关系的扩展。当一滴已知表面张力（γL）的液体置于仅具色散表面能的固体上时，Owens-Wendt-Rabel-Kaelble方程简化为：(1+cosθ)×γL=2×(γS^D×γL^D)^1/2其中，γS^D是该固体的已知色散表面自由能（标准中建议使用高纯度PTFE的固定值，如γS=γS^D=18.0mN/m至19.7mN/m之间，并允许特定修正），γL是液体的总表面张力（通过独立方法如Wilhelmy板法或悬滴法测得），θ是测量得到的静态接触角。由此，可以唯一地计算出被测液体的色散分量γL^D，再从γL中减去该色散分量从而获得极性分量γL^P：γL^P=γL-γL^D工作流程简单直接：先测量液体的总γL（标准通常提示参考ISO19403-2或同类方法）；再在标准化的PTFE固体上测量其接触角θ；代入公式，计算γL^D；最后推导出γL^P。这一单步推导法避免了非线性方程组的解不唯一性。3.4仪器与设备标准对测量系统提出了严格要求：1.接触角测量仪：必须具备自动或半自动获取液滴轮廓、图像分析、基线和角度拟合功能。测量分辨率应优于0.1°。需配备环境舱（温度控制：20℃±1℃或23℃±1℃；湿度监控）。2.固体基材：推荐使用表面经过认证、光学级别的光滑聚四氟乙烯（PTFE）片材（Ra<0.1μm），或者是达到同等光滑标准的超高分子量聚乙烯（UHMWPE）片材。必须确保材料表面无添加剂、抗氧剂析出，经过异丙醇或去离子水彻底清洗，并在洁净环境中干燥保存。标准强调，固体基材的表面能应定期用已知色散液体（如正十六烷）进行接触角验证，以保证γS^D的数值稳定。3.液体：测量用液体（如正己烷、正癸烷、二碘甲烷、水、乙二醇等）应分析纯级别或更高等级。水的使用标准尤为重要，标准强调必须使用超纯水（总有机碳TOC<50ppb等，符合ISO20194等规定）。3.5试验步骤试验过程分为四个阶段：1.固体准备：用砂纸轻微打磨片材以去除表面污染（可选）；随后用异丙醇超声波清洗10分钟，再用去离子水漂洗，在百级洁净台或干燥器中自然风干12小时，或者用氮气吹干。无碳源和胶带残留评估。2.接触角测量：控制温度，用微升注射器滴下1-3μL液滴（具体根据液体粘度和接触角的大小调节，但必须保证重力变形可以忽略）；静置至稳定（通常1-5秒），高速相机拍摄液滴图像，计算机软件自动计算左右接触角并取平均值。每个液体重复5-10次，并上报标准差。3.总表面张力测定：需使用如悬滴法（分析液滴形状）或duNoüy环法（适用于低粘度液体）测定液体总表面张力γL。4.计算：将γL、θ和已知的γS^D代入简化OWRK方程，解出γL^D，继而计算γL^P。3.6结果报告与精密度报告内容须包括：液体名称、测试温度、PTFE的γS^D值、接触角平均值及标准差、总表面张力γL、色散分数γL^D和极性分数γL^P（单位均为mN/m并保留一位小数）。标准也在附录中提供了实验室间精密度验证数据（包括重复性限r和再现性限R），为结果的可接受范围提供了量化依据。例如，对于某种给定的液体，其重复性限根据表面张力大小有所不同，通常在1.0-2.5mN/m之间。4.主要参与单位介绍本标准由国际标准化组织色漆和清漆技术委员会（ISO/TC35）的第九分技术委员会“色漆和清漆通用试验方法”（SC9）负责起草。具体执行者为WG26(润湿性/表面自由能工作组)。工作组内的主要贡献单位包括来自德国的涂料、测量及标准化领军机构。在此，重点介绍德国涂料与颜料研究所（FPL，ForschungsinstitutfürPigmenteundLackee.V.）及其下属的“表面与界面分析实验室”。机构概况：FPL创立于1965年，是欧洲涂料和有色金属颜料工业领域公认的兼具基础研究与应用开发实力的独立科研机构。其总部位于德国斯图加特，拥有超过100名化学、物理、材料科学及工程领域的专业技术人员。FPL的核心使命是推动涂料、油墨、胶粘剂及相关原辅料领域的技术标准制定、检测与认证。在标准编制中的角色：1.技术方案的提出者：FPL的界面科学团队早期便发现了ISO19403-4在针对PTFE等表面时的数学局限性，并联合高校计算提出“推导求解法”的数学基础模型。这些前期工作奠定了本标准的核心理论基础。2.实验验证的执行者：FPL提供了其遍布欧洲的成员企业（阿克苏诺贝尔、巴斯夫、汉高、赢创等）的真实乳液、溶剂型清漆样品，设计并完成了大量对比实验，证明了新方法在辨别具有微弱极性差异的润湿剂上的灵敏度显著优于传统多点拟合法。其实验室间比对数据（包括3个国家的7个实验室）被纳入了标准附录的精密度汇总表。3.规范化文件的撰写者：作为ISO/TC35/SC9/WG26的秘书处及重要撰稿人，FPL的另一名专家负责起草了关于“固体表面预处理”与“数据处理规范”的核心章节，确保了标准的严谨与可操作性。其所提的“PTFE片材荧光检查和异丙醇清洗闭环验证”程序被广泛采纳，解决了多数测试中心因固体污染导致的“假极性”现象。该机构的核心价值：FPL以其严谨的科研风范和在德国工业中的权威地位，在确保标准技术细节务实、经得起生产实践检验方面发挥了不可替代的作用。通过提供持续的技术支持，包括培训使用标准人员、开发标准附件中的故障排除指南，该机构有效保障了本标准一旦发布，就能被全球涂料及助剂产业的高水平实验室优先采用，推动了测试方法的全球化统一。5.结论与展望5.1结论本研究报告系统性地对ISO19403-5:2024《色漆和清漆润湿性第5部分：从接触角测定液体表面张力的极