聚合物材料的表面與界面（簡體書）

《聚合物材料的表面與界面》主要關注聚合物材料設計、加工、應用過程中所涉及的表面和界面的問題及其解決思路、方法。具體內容包括：表面與界面的基礎理論、聚合物表面與界面的表征及改性技術、聚合物共混體系的表界面、聚合物基復合材料界面、聚合物表面與界面的仿生和功能化等。

聚合物材料是國民經濟各行業中廣泛使用的重要材料之一。它不僅在高科技領域備受關注，更是現代社會生活重要的組成部分，并且越來越多地影響和改變著我們的生活方式。
聚合物的表面與界面在材料科學的基礎研究領域以及應用領域的設計開發過程中，都占有非常重要的地位。可以說，在某種程度上，聚合物材料的研究和應用都直接或間接的與表面和界面相關，表界面的性質直接影響材料的整體性能。很多聚合物材料，不論是薄膜、纖維抑或其他制品，在應用過程中都有一定的表面特性要求，比如：親疏水性、粘合性、生物相容性等。而在一些新材料和復合材料領域，聚合物材料的界面特性影響著材料的耐用性、耐候性以及強度和韌性等諸多性能。此外，聚合物材料的表面和界面形貌也對材料性能產生重要的影響。這些問題的研究日益受到重視。
本書主要關注聚合物材料設計、加工、應用過程中所涉及的表面和界面的問題及其解決思路、方法。具體內容包括：表面與界面的基礎理論、聚合物表面與界面的表征及改性技術、聚合物共混體系的表界面、聚合物基復合材料界面、聚合物表面與界面的仿生和功能化等。
本書以基礎研究為切入點，結合新的聚合物材料表征和研究方法，以解決新材料開發中的實際問題為目的，結合了作者的研究工作以及聚合物材料表界面研究領域的新成果，希望能夠為新型聚合物材料的研究開發提供借鑒和指導。
羅軼、段曉博、王唯貽等研究生參與了資料收集及部分撰寫工作，在此對他們的辛勤工作表示感謝！

第一章 表面與界面基礎
第二章 聚合物表面與界面表征
第三章 聚合物材料表面改性技術
第四章 聚合物共混體系的表界面
第五章 聚合物基復合材料界面
第六章 聚合物表面與界面的仿生和功能化

第一章 表面與界面基礎
表面與界面問題是我們日常生活、科學研究以及工程實踐中經常遇到的問題。盡管人們起初可能意識不到表界面的重要性，但表面與界面的性質往往對材料的性能和應用起著決定性的作用。
自然界的物質主要以固相、液相和氣相三種形態存在，固相和液相又稱為凝聚相。簡言之，界面（interface）是指兩相之間的共有邊界。由于氣體可以相互擴散，無法形成清晰的邊界，所以我們可以得到5種界面組合：固／液、固／固、液／液、固／氣和液／氣；表面（surface）的嚴格定義是指固體或液體與真空的交界面。通常情況下我們將肉眼所能觀察到的物體的外部稱為表面。因此，我們日常概念中的表面實際上是固／氣界面和液／氣界面，只是忽略了氣相的影響。
界面可以看做將兩相分割開的中間區域或者薄層，它的真正作用在于，互相接觸的兩相通過界面實現由一相到另一相的轉換，形成在組成、密度、性質上與兩相有交錯并有梯度變化的過渡區域。此過渡區域也稱為界面層，其性質獨特，與所連接的兩相的性質不完全相同。界面是很薄的二維區域，一般只有零點幾納米到幾納米，若兩相的相容性好則可以形成較厚的界面層，產生新的過渡相，使清晰的界面消失。
當固體表面為不可揮發的光滑表面，并且與惰性氣體接觸時，過渡區基本上是一個分子的厚度。因此，會存在一個由固體分子到氣體分子突然變化的非常清晰的邊界。對于常規的不規則表面，過渡區反映的是表面的物理不規則性。
純液體與其蒸氣相接觸時，過渡區不會有突然的變化，分子濃度由本體物質的濃度逐漸降低到純氣體的濃度。此時，過渡區可以達到幾個分子的厚度。混合液體與氣相的界面，每種組分都有自己的梯度分布，這取決于組分的揮發性和互溶性。有限互溶的兩個液相的界面也具有類似的狀況。對多相流體來說，隨著溫度的升高界面區域變厚，達到一定溫度時會出現臨界現象，此時兩相界面不復存在。因此，隨著兩相物理差別越來越小，界面過渡區變得不明顯，直到最后形成單一相。同一液體系也具有類似的濃度變化，具體的細節取決于固體在液體中的溶解性。
1．1 表面能與表面張力
日常生活中有很多神奇的表界面現象，比如：漂浮在水面上的針和硬幣，能在水上自由行走的水黽，防霧的眼鏡片，建筑物的防水防污涂料，還有魔術舞臺上大到可以裝下人的肥皂泡。這些都與我們所說的表面張力和表面能有關。
1．1．1 表面能
表面和界面現象來自于表面和界面上的相互作用。由于所處的環境特殊，物質的微小單元（單個的原子或分子）在能量和反應活性上與本體和溶液中的單元有明顯的不同。在本體相中，各單元之間的相互作用，使其處于均勻的力場之中。如果本體相在真空中被等溫可逆地沿某一單元所在的面剖開，分開一定的距離（H），形成兩個新的面，那么這一“單元”所受的力將不再均勻。換句話說，就是它仍能“感覺”到原來與其相鄰的“單元”的存在，但是相互作用減弱了。由于新表面上的“單元”處于不同的能量環境中，總的自由能必然發生變化。新表面的生成使處在界面上或界面附近的“單元”的自由能升高。新狀態的形成所帶來的體系自由能的凈增長與新生成表面的面積和界面單元的密度成正比。當然，體系自由能的變化也與分開的距離有關系，當分開距離足夠遠時，體系自由能變為常數。這些額外的增加的能量稱作“表面自由能”，更準確的應稱為“過剩表面自由能”。需要注意的是，過剩自由能與體系的總自由能是不相等的，其僅僅是位于表面的“單元”的那部分。
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