ISO 19403-42024 油漆和清漆 - 润湿性 - 第4部分界面张力液体表面张力的极性和分散级分的测定标准立项发展报告

ISO19403-4:2024《油漆和清漆-润湿性-第4部分：界面张力液体表面张力的极性和分散级分的测定》标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:ISO19403-4:2024Paintsandvarnishes—Wettability—Part4:Determinationofthepolaranddispersivefractionsofthesurfacetensionofliquidsfromaninterfacialtension摘要随着现代涂料工业的快速发展，润湿性作为评价涂料在基材表面铺展、附着及成膜质量的关键物理化学属性，其对最终涂层的均匀性、附着力及耐候性能的影响日益凸显。表面张力及其极性和分散分量的精确测定，已成为涂料配方设计、基材表面处理工艺优化及质量控制的不可或缺的技术依据。在此背景下，国际标准化组织（ISO）发布ISO19403-4:2024《油漆和清漆——润湿性——第4部分：界面张力液体表面张力的极性和分散级分的测定》标准，为全球涂料行业提供了一套统一、规范的基于界面张力测定液体表面张力极性和分散组分的试验方法。本报告全面梳理了该标准的立项背景、技术内容、制定过程及预期应用价值。报告详细阐述了该标准所采用的两相液-液界面张力测定原理，明确了界面张力与表面张力极性和分散分量之间的数学关联模型，并对标准规定的试验方法、仪器要求、样品准备、数据处理及结果报告等关键技术环节进行了系统解读。该标准的发布实施，填补了涂料领域液体表面张力极性/分散组分测定的国际标准空白，对促进全球涂料行业技术交流与贸易往来、推动高性能环保涂料研发及提升涂层质量控制水平具有重要意义。报告同时对该标准的推广应用前景及未来修订方向进行了展望。关键词：润湿性；表面张力；界面张力；极性分量；分散分量；涂料；国际标准Keywords:Wettability;Surfacetension;Interfacialtension;Polarfraction;Dispersivefraction;Paintsandvarnishes;Internationalstandard1.引言1.1研究背景涂料产品的施工性能与最终涂膜质量在很大程度上取决于涂料液体与固体基材之间的润湿行为。润湿性通常以接触角或表面张力等参数加以表征，而根据Fowkes、Owens-Wendt-Rabel-Kaelble（OWRK）等经典表面化学理论，固体或液体的表面自由能可以被分解为极性与分散（非极性）两种分量，二者分别对应色散力作用与极性相互作用（包括氢键、偶极-偶极作用等）。在实际应用中，仅获得表面张力总量往往不足以准确预测涂料在特定基材上的铺展行为及其与基材之间的粘附特性。因此，精确测定液体（如涂料基料、溶剂、助剂溶液等）表面张力的极性分量和分散分量，对于理解润湿机理、科学设计涂料配方以及优化基材表面处理工艺具有重要的理论与实践价值。长期以来，液体表面张力极性和分散分量的测定主要依赖接触角法——即通过测量液体在已知表面自由能分量（尤其是极性/分散分量已知）的参考固体上的接触角，进而利用OWRK等模型反算求得。然而，该间接方法受参考固体表面性质均匀性、表面粗糙度、吸附污染等因素影响较大，测量结果的重复性和实验室间可比性存在明显局限。界面张力法则另辟蹊径——通过直接测定两种互不相溶液体之间的界面张力，结合参与测定液的已知表面张力性质，利用Good-Girifalco方程等热力学模型即可直接求得待测液体的极性分量和分散分量。该方法避免了固体表面状态带来的不确定性，具有更高的测量精度与更优的重复性。1.2标准编制必要性在国际标准化组织之前的相关标准体系中，ISO19403系列标准（《油漆和清漆——润湿性》）第一至第七部分分别规定了接触角测定、表面自由能测定等方法，但针对液体表面张力极性和分散组分的测定尚缺乏专门的标准方法。ISO19403-4:2024的制定与发布，正是对这一标准空白的填补。该标准为涂料及相关行业提供了一种不依赖于固体表面特征的液体表面张力分量测定方法，标志着润湿性测量标准化体系的重要完善与升级。1.3标准信息概述本报告的标准化对象为ISO组织于2024年10月18日正式发布的ISO19403-4:2024国际标准，该标准现行有效，属ISO/TC35（色漆和清漆技术委员会）归口管理，分类号为涂料和清漆，工作语言为英语。标准规定了采用界面张力法测定液体（包括涂料基料、溶剂、助剂等）表面张力的极性和分散级分的通用试验方法，涉及方法原理、仪器要求、试验条件、操作步骤、数据处理和精密度要求等内容。该标准为全球用户提供了一套可直接采用的方法学框架，适用于科研机构、涂料制造企业、第三方检测机构及相关质量监管部门等各类用户。2.标准编制背景与意义2.1行业技术发展需求近年来，全球涂料产业正加速向高性能化、功能化和绿色化方向转型升级。水性涂料、高固体分涂料、粉末涂料及辐射固化涂料等低VOC（挥发性有机化合物）环保型涂料的市场份额持续增长。这些新型涂料体系的配方复杂性显著提升，多组分相互作用对涂层质量的影响更加突出，对润湿性能的控制要求也更为苛刻。在此背景下，涂料研发人员需要更加精确、可靠的表面化学表征工具，以指导配方设计中的表面张力调控。由于液体表面张力的极性和分散分量直接决定了液体在低能表面（如塑料基材）和高能表面（如金属基材）上的铺展能力和粘附性能，相关数据的准确获取成为高性能涂料配方优化中不可或缺的基础信息。2.2现有方法的技术局限目前国内外实验室普遍采用的液体表面张力极性/分散分量测定方法仍以接触角法为主，其基本流程为：选取已知表面自由能分量（极性分量和分散分量）的两种或多种参考固体（如聚四氟乙烯、聚乙烯、聚酰胺等），分别测定待测液体在每种参考固体表面的静态接触角，再依据OWRK或Fowkes模型进行线性拟合或方程求解，从而推算出液体的表面张力分量。但该方法存在以下明显局限：>一是参考固体表面的实际性质与理论值之间往往存在偏差，固体表面能数据因制备工艺、存放条件和使用次数不同而呈现漂移；>二是固体表面的粗糙度和化学不均匀性导致接触角测量不可避免地带有一定的主观性和离散性，测量误差传播至最终计算结果后被进一步放大；>三是参考固体表面易吸附环境中水分和有机污染物，表面能分量随之改变，直接影响测定结果的准确性和复现性。界面张力法则在很大程度上规避了上述问题。该方法通过直接测量两互不相溶流体之间的界面张力，无需依赖固体表面的理想化假设，即可计算出待测液体的表面张力极性分量和分散分量，测量精度和重复性均有显著提升，尤其适用于水性涂料体系等极性液体样品的表征。2.3标准制定意义ISO19403-4:2024的发布具有多方面的重要意义：完善标准体系：该标准补充了ISO19403系列标准中液体表面张力分量测定方法的技术空白，使润湿性测试标准从以接触角法为主的框架扩展为涵盖接触角法和界面张力法的完整方法体系，满足不同应用场景的技术需求。促进国际互认：统一的试验方法为全球实验室之间的数据互认提供了技术依据，有助于消除因方法差异导致的技术性贸易壁垒，促进涂料产品在国际市场的流通和贸易。助力绿色转型：精确的润湿性表征数据将帮助配方设计人员更加高效地开发低VOC、低表面张力助剂及高性能环保涂料，推动涂料行业绿色低碳转型。支撑质量控制与工艺优化：标准化的测定方法为涂料及原材料生产企业的质量控制和产品一致性评价提供了可靠的技术手段，同时为基材表面处理（如电晕、等离子体处理等）效果的评价提供了可量化的检验指标。3.标准主要内容与技术解读3.1标准适用范围ISO19403-4:2024规定了基于界面张力测定液体表面张力极性和分散级分的试验方法。该标准适用于涂料及其原材料体系（包括漆基树脂溶液、溶剂、助剂溶液及水性涂料体系等）中液体样品表面张力分量的测定。需要注意的是，该标准针对的是液体样品在室温至试验温度范围内的表面性质表征，对兼具表面活性剂性质的液态助剂，由于其在界面富集特性可能对测量结果产生影响，使用时应结合样品特性慎重评价并做好充分的方法验证。3.2方法原理与技术路线该标准所述方法的理论基础是Good-Girifalco热力学理论与Fowkes表面自由能分量概念的联合应用。具体而言，两种互不相溶的液体（以液相1和液相2表示）之间的界面张力γ₁₂与两液体各自的表面张力及其分量之间存在如下关联关系：\[\gamma_{12}=\gamma_1+\gamma_2-2\sqrt{\gamma_1^d\gamma_2^d}-2\sqrt{\gamma_1^p\gamma_2^p}\]式中：γ₁和γ₂分别为液相1和液相2的表面张力（总表面张力）；γᵈ和γᵖ分别为表面张力的分散分量和极性分量。在实际测定中，若液相1为待测液体（被测试液体样品），液相2为已知表面张力（包括极性分量和分散分量）的参考液体（如特定纯度的正己烷、正辛烷等非极性烃类或二碘甲烷等），通过采用悬滴法（pendantdropmethod）或旋转滴法（spinningdropmethod）精确测定两液相间的界面张力γ₁₂，同时另行测定待测液体的总表面张力γ₁（采用Wilhelmy板法或DuNoüy环法等标准方法），并已知参考液体的表面张力分量（γ₂ᵈ和γ₂ᵖ），即可代入上述方程中解出待测液体的分散分量γ₁ᵈ和极性分量γ₁ᵖ。值得注意的是，标准中亦推荐了一套数据处理软件工具或标准计算表格，以简化计算流程、减少人为运算误差，并明确规定了对多组平行测量结果进行统计处理的要求。3.3仪器与耗材要求为保证试验结果的准确性和可重复性，标准对试验仪器与耗材提出了明确的技术要求：-界面张力测定仪：可采用悬滴法界面张力仪或旋转滴界面张力仪，仪器应具备温度控制功能，控温精度不低于±0.5K；应具备数字图像采集和自动轮廓分析能力，软件算法应对液滴轮廓进行精确拟合并自动计算界面张力值，测量不确定度应满足标准规定的要求。-参考液体：标准规定使用已知表面张力精确数据的高纯度参考液体，通常推荐采用正己烷（纯度≥99%）、正辛烷（纯度≥99%）或二碘甲烷（纯度≥99%）等，其表面张力极性/分散分量数据应溯源于权威文献或经认证实验室校准。-测量器具：注射器（配备合适规格的平头针头或不锈钢弯针）、样品池（由化学惰性材料制成，如石英、特种玻璃或不锈钢）、温度计等。-校准物质：用于验证仪器准确性的已知表面张力的标准液体（如超纯水，其表面张力在20℃时为72.8mN/m）。3.4样品准备与试验条件标准详细规定了样品的准备方法和试验条件，主要包括：-样品要求：待测液体应均匀、无可见机械杂质，必要时应进行脱气处理以免气泡附着于液-液界面影响测定；样品的用量应足以形成稳定的液滴或液柱进行界面张力测量。-温度控制：所有测量应在规定温度下进行，推荐试验温度为（23±2）℃；对于在室温下黏度过高的样品，可在不改变其化学组成的前提下适当升温以降低黏度，但需在报告中注明实际试验温度。-容器与器具洁净度：测量器具的洁净度对界面张力测定结果有显著影响，标准明确要求所有接触样品的器具须经严格清洗，推荐采用去离子水、无水乙醇及丙酮的逐级清洗程序，干燥后备用。-环境条件：试验环境应洁净、无尘，避免气流扰动对液滴稳定性的影响。3.5测试步骤与数据处理标准规定的主要试验步骤如下：1.将参考液体注入样品池中，恒温至设定温度；2.将装有待测液体的注射器安装在界面张力仪的进样系统中，排除气泡；3.在参考液体介质中缓慢挤出待测液滴（悬滴法）或注入液滴（旋转滴法），调整液滴体积至适宜尺寸；4.等待液-液界面达到热力学平衡（通常需数分钟至数十分钟，对于高黏度样品需延长平衡时间）；5.采集液滴图像，由仪器软件进行轮廓分析，计算界面张力值；6.重复测量不少于五次，计算平均值和标准偏差。在数据处理方面，标准要求：首先独立测定待测液体的总表面张力（可参照相关标准方法如Wilhelmy板法或DuNoüy环法）；然后代入Good-Girifalco方程计算极性分量和分散分量；最后对多次测量结果进行统计分析，报告平均值、标准偏差和相对标准偏差等参数。当使用两种以上参考液体进行交叉验证时，各参考液体测得的结果应具有良好的一致性。3.6精密度与结果表述标准以附录形式提供了实验室间比对试验的统计数据，给出了方法的重复性限（r）和再现性限（R）参考值。结果表述要求注明测量温度、所使用参考液体、仪器类型、测量方法（悬滴法或旋转滴法）、样品批号及试验日期等完整信息，确保试验结果的可追溯性。4.主要起草单位介绍ISO19403-4:2024标准的制定由ISO/TC35（色漆和清漆技术委员会）组织推进，其秘书处目前由荷兰标准化研究所（NEN）承担。荷兰长期在涂料和表面化学领域拥有深厚的技术积累和标准化实践经验，主导或参与了多项涂料及表面测试方法国际标准的制修订工作。该标准的起草工作组汇集了来自全球涂料生产企业、原材料供应商、检测机构、科研院校及标准化组织的专家学者，经过多轮草案讨论、实验室间比对验证和征求各国标委会意见等程序，最终形成各方认可的国际标准文本。在标准制定过程中，各参与方充分反映了不同地区涂料行业对润湿性测试方法的需求差异，兼顾了方法的前沿性与普适性，确保标准发布后能够在全球范围内得到有效实施和推广。5.结论与展望ISO19403-4:2024作为国际标准化组织在涂料润湿性测试领域的重要标准成果，为液体表面张力极性分量和分散分量的测定提供了一种科学可靠、操作性强的标准化方法。该标准的发布填补了ISO19403系列标准在界面张力法测定液体表面张力分量方面的空白，与系列中其他部分（如接触角测量、固体表面自由能测定等）形成了有效互补，构建了更为完整的润湿性测试标准体系。该标准不仅有助于提升涂料行业研发与质量控制的技术水平，还将对相关领域——包括胶粘剂、油墨、表面处理剂等行业的表面化学表征工作产生积极的示范和带动效应。展望未来，随着涂料行业对表面性能调控精度要求的不断提高以及智能化测试仪器技术的快速发展，界面张力法在润湿性表征中的应用前景将更加广阔。建议相关工作持续推进以下方向：一是加大标准宣贯和培训力度，使更多实验室和企业技术人员掌握该标准方法的技术要点和操作规范；二是适时开展该标准与其他相关标准（如ISO19403系列其他部分、ASTM相关测试标准等）的比对研究，促进不同方法体系间的数据关联与互认；三是跟踪界面张力测量新技术（如微流控技术、全自动高通量测量平台等）的发展动态，为标准的后续修订和技术升级做好技术储备；四是推动该方法在新型涂料体系——尤其是生物基涂料、光固化涂料等前沿领域中的应用研究，不断拓展标准的适用范围和应用价值。可以预见，ISO19403-4:2024将在全球涂料及关联工业领域发挥日益重要的作用，为行业的技术创新和质量提升提供坚实的标准化支撑。参考文献[1]ISO19403-4:2024,Paintsandvarnishes—Wettability—Part4:Determinationofthepolaranddispersivefractionsofthesurfacetensionofliquidsfromaninterfacialtension[S].Geneva:InternationalOrganizationforStandardization,2024.[2]ISO19403-1:2022,Paintsandvarnishes—Wettability—Part1:Vocabularyandgeneralprinciples[S].Geneva:InternationalOrganizationforStandardization,2022.[3]ISO194