表面張力測(cè)試儀試驗(yàn)原理和方法解析
更新時(shí)間：2023-02-02 | 點(diǎn)擊率：2644
什么是表面張力？
表面張力的測(cè)試方法,接觸角測(cè)量粗糙度和潤(rùn)濕性液體分子之間的內(nèi)聚力負(fù)責(zé)稱(chēng)為表面張力的現(xiàn)象。表面上的分子在所有面上都沒(méi)有相似的相鄰原子，因此它們?cè)诒砻嫔吓c它們直接關(guān)聯(lián)的分子更強(qiáng)烈地結(jié)合在一起。這就形成了一個(gè)表面“膜”，這使得在物體被浸沒(méi)時(shí)移動(dòng)物體比移動(dòng)物體更困難。同樣的情況也適用于不混合在一起的兩種液體的界面。在這種情況下，使用界面張力。表面和界面張力有幾個(gè)不同的單元。
界面張力，也叫液體的表面張力，就是液體與空氣間的界面張力。在數(shù)值上與比界面能相等。固體表面與空氣的界面之間的界面張力，就是固體表面的自由能。固體表面不同的材質(zhì)，其表面自由能不同，金屬和一般無(wú)機(jī)物表面的能量在100mN/m以上，稱(chēng)為高能表面；塑料等有機(jī)物表面的能量較低，稱(chēng)為低能表面。界面張力，也叫液體的表面張力，就是液體與空氣間的界面張力。在數(shù)值上與比界面能相等。液體與另一種不相混溶的液體接觸，其界面產(chǎn)生的力叫液相與液相間的界面張力。液體與固體表面接觸，其界面產(chǎn)生的力叫液相與固相間的界面張力。液體的表面張力，就是液體表面的自由能。固體表面與空氣的界面之間的界面張力，就是固體表面的自由能。固體表面不同的材質(zhì)，其表面自由能不同，金屬和一般無(wú)機(jī)物表面的能量在100mN/m以上，稱(chēng)為高能表面；塑料等有機(jī)物表面的能量較低，稱(chēng)為低能表面。
表面張力和界面張力是什么？
表面張力是如何測(cè)量的？
平衡表面張力可以用力或光學(xué)張力計(jì)測(cè)量。
力量測(cè)定法
由張力計(jì)進(jìn)行的表面張力和界面張力的測(cè)量是基于探針與兩種流體界面的相互作用的力測(cè)量。可以通過(guò)確保在開(kāi)始實(shí)驗(yàn)之前將探針的大部分浸沒(méi)在光相位中，像表面張力測(cè)量一樣執(zhí)行界面張力測(cè)量。
在這些實(shí)驗(yàn)中，一個(gè)探頭掛在天平上，并與測(cè)試的液體界面接觸。當(dāng)探針與液體表面相互作用時(shí)，平衡所經(jīng)歷的力可以用來(lái)計(jì)算表面張力。在這種情況下存在的力取決于以下因素：探針的尺寸和形狀、液/固相互作用的接觸角和液體的表面張力。探針的尺寸和形狀易于控制。接觸角控制為零（潤(rùn)濕）。這是通過(guò)使用高能表面的探針來(lái)實(shí)現(xiàn)的。注意?探針由鉑/銥合金制成，確保潤(rùn)濕和容易和可靠的清潔。力測(cè)量的數(shù)學(xué)解釋取決于所用探針的形狀。通常使用兩種類(lèi)型的探針，即杜氏環(huán)和威廉板。金屬棒也可以用來(lái)限制液體樣品體積。
表面張力常用的測(cè)試方法：
1、鉑金板法：
當(dāng)感測(cè)浸入到被測(cè)液體后，白金板周?chē)蜁?huì)受到表面張力的作用，液體的表面張力會(huì)將白金板盡量地往下拉。當(dāng)液體表面張力及其他相關(guān)的力與平衡力達(dá)到均衡時(shí)，感測(cè)白金板就會(huì)停止向液體內(nèi)部浸入。這時(shí)候，儀器的平衡感應(yīng)器就會(huì)測(cè)量浸入深度，并將它轉(zhuǎn)化為液體的表面張力值。
鉑金板法是用24mm×10mm×0.1mm的鉑金板，表面進(jìn)行噴砂粗化處理，為的是更好地與被測(cè)液體潤(rùn)濕。測(cè)試時(shí)將鉑金板輕輕地接觸到液面（或界面），由于液體表面張力的作用會(huì)將鉑金板往下拉，當(dāng)液體的表面張力及其他相關(guān)的力與儀器測(cè)試的反向的力達(dá)到平衡時(shí)，測(cè)試值就穩(wěn)定不變，如果是蒸餾水、乙醇等純物質(zhì)，整個(gè)測(cè)試過(guò)程最快只有幾秒鐘。
2、鉑金環(huán)法：
由于被廣泛應(yīng)用于du Nouy表面張力儀，這種方法又稱(chēng)為du Nouy法，并因之操作簡(jiǎn)便而被廣泛使用。白金環(huán)法這個(gè)稱(chēng)法是因測(cè)試部分與液體樣品間會(huì)形成一個(gè)環(huán)形而得的。
鉑金環(huán)法是一種傳統(tǒng)的測(cè)試方法，從發(fā)明到現(xiàn)在有約70年左右的時(shí)間。它是用直徑0.37mm的鉑金絲做成周長(zhǎng)為60mm的環(huán)。測(cè)試時(shí)先將鉑金環(huán)浸入液面（或二種不相混合的界面）下2-3mm，然后再慢慢將鉑金環(huán)向上提，如圖所示，環(huán)與液面會(huì)形成一個(gè)膜。膜對(duì)鉑金環(huán)會(huì)有一個(gè)向下拉的力，測(cè)量整個(gè)鉑金環(huán)上提過(guò)程中膜對(duì)環(huán)的所作用的最大力值，再換算成真正的表面（界面）張力值。由于這種方法測(cè)試起來(lái)比較麻煩，測(cè)試誤差也比較大，已迅速被鉑金板法所取代。
3、旋轉(zhuǎn)滴法：
旋滴法的基本原理是根據(jù)Bashforth-Adams方程從滴的形狀和尺寸求出界面張力，通過(guò)旋轉(zhuǎn)使液滴處于一定的離心力場(chǎng)之中，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速可改變液滴的平衡形狀以便于測(cè)定。主要測(cè)量超低界面張力。
通常，我們?cè)跇悠饭苤谐錆M(mǎn)高密度相液體，再加入少量低密度相液體（或氣體，用于測(cè)液體與氣體間的界面張力值），密封地裝在旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀上，使樣品管平等于旋轉(zhuǎn)軸并與轉(zhuǎn)軸同心。開(kāi)動(dòng)機(jī)器，轉(zhuǎn)軸攜帶液體以角速度ω自旋。在離心力、重力及界面張力作用下，低密度相液體在高密度相液體中形成一長(zhǎng)球形或圓柱形液滴。其形狀由轉(zhuǎn)速ω和界面張力決定。測(cè)定液滴的滴長(zhǎng)（L）以及寬度（D）值以及兩相液體密度差（?ρ）以及旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速ω，即可計(jì)算出界面張力值。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度足夠大時(shí)，旋轉(zhuǎn)滴通常呈現(xiàn)平躺的圓柱形，兩端成半圓狀。
這時(shí)界面張力計(jì)算公式通常為：
γab=?ρω2R03/4其中R0為圓柱半徑。但這僅是一般公式，事實(shí)上，在計(jì)算界面張力值時(shí)，我們有各種公式的變化，從而產(chǎn)生各種計(jì)算公式。
4、懸滴法：
通過(guò)處理最大的液滴的圖像來(lái)計(jì)算表面張力。
樣品管中裝滿(mǎn)高密度相，然后再在高密度相中注入一滴低密度相(液滴)，樣品管在馬達(dá)的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，在離心力的作用下液滴在樣品管的中心軸線(xiàn)上，并且被拉伸變形。
5、氣泡壓力法：
毛細(xì)管與氣體接口和靈敏壓力傳感器相連，氣體通過(guò)毛細(xì)管，在毛細(xì)管端形成氣泡，并測(cè)出此氣泡的壓力，轉(zhuǎn)換成表面張力。
這也是測(cè)定液體表面張力的一種常用的方法,測(cè)定時(shí)將一根毛細(xì)管插入待測(cè)液體內(nèi)部,從管中緩慢地通入惰性氣體對(duì)其內(nèi)的液體施以壓力,使它能在管端形成氣泡逸出。當(dāng)所用的毛細(xì)管管徑較小時(shí),可以假定所產(chǎn)生的氣泡都是球面的一部分,但是氣泡在生成及發(fā)展過(guò)程中,氣泡的曲率半徑將隨惰性氣體的壓力變化而改變,當(dāng)氣泡的形狀恰為半球形時(shí),氣泡的曲率半徑為zui小,正好等于毛細(xì)管半徑。如果此時(shí)繼續(xù)通入惰性氣體,氣泡便會(huì)猛然脹大,并且迅速地脫離管端逸出或突然破裂。
氣泡壓力法特點(diǎn)
此方法與接觸角無(wú)關(guān),裝置簡(jiǎn)單,測(cè)定快速;經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)可以用于熔融金屬和熔鹽的表面張力測(cè)量。由于氣泡法表面張力儀能夠模擬表面活性劑的隨時(shí)間的變化情況，并且可以繪制完整的表面張力變化曲線(xiàn)，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用十分廣泛。
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