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表面張力儀的基本原理與應(yīng)用

來源：測試GO 時間：2021-01-21 22:22:20 瀏覽：18591次

1引言

作用于液體表面，使液體表面積縮小的力稱為液體表面張力。表面張力儀是專業(yè)用于測量液體表面張力值的測定儀器，通過鉑金板法、鉑金環(huán)法、最大氣泡法、懸滴法、滴體積法以及滴重法等原理，可以精確測定液體的表面張力值。同時，利用軟件技術(shù)，可測得隨時間變化而變化的表面張力值。表面張力儀又稱界面張力儀，可以測試界面張力也可測表面張力，儀器如圖1所示。本文將對液體表面張力測試儀的使用以及測定方法進(jìn)行簡單介紹。

圖1

2概念介紹

a)表面：凝聚態(tài)物質(zhì)相對于其純氣相的界面，如固-氣、液-氣的界面算作表面；

b)表面張力：在物質(zhì)內(nèi)部，每個分子所受其周圍分子的作用力是對稱的，而處于界表面上的分子所受的作用力是不對稱的，而這種不對稱的合力就是界面張力，對液-氣、固-氣表面而言就稱之為表面張力，如圖2所示。表面張力是物質(zhì)的特性，其大小與溫度和界面兩相物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)；

c)表面張力儀：表面張力儀是針對廣大用戶在界面化學(xué)測試過程中出現(xiàn)的，為研發(fā)及非常高品質(zhì)的高精度控制需求而專門研制的儀器，儀器操作簡單、測值精確。

圖2

3表面張力儀的組成及測試過程

3.1表面張力儀的組成

一般表面張力儀主要由探頭、升降缸、換向閥、微型空壓機(jī)、節(jié)流閥和單片機(jī)測控單元等部分構(gòu)成。其中探頭和計算機(jī)測控單元為測試儀數(shù)據(jù)采集與處理的核心部分，由微型空壓機(jī)、換向閥、節(jié)流閥和微型氣缸構(gòu)成的氣路單元既可以為探頭提供動力，又可以向毛細(xì)管提供流量適宜的氣源。以鉑金板法表面張力儀為例，其儀器組成結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。主要部件包括樣品臺、探測鉑金板、微處理機(jī)等。

圖3

3.2表面張力儀的測試過程

儀器測試過程如下：

a)在計算機(jī)的控制下，微型空壓機(jī)啟動，壓縮空氣分別經(jīng)換向閥和節(jié)流閥進(jìn)入升降氣缸和探頭；

b)升降氣缸驅(qū)動探頭下移使毛細(xì)管和溫度傳感器浸入被測液體，節(jié)流后的壓縮空氣經(jīng)毛細(xì)管向液體吹氣，通過微壓差傳感器可以實時監(jiān)測氣泡內(nèi)的壓力變化；

c)當(dāng)壓力達(dá)到某一門限值時，計算機(jī)輸出控制信號令升降缸停止運(yùn)動，并不斷采集泡內(nèi)壓力信號和液體溫度信號；

d)5s后換向閥轉(zhuǎn)向，探頭被提出，同時停止吹氣；

e)計算機(jī)自動識別ΔP和N值，計算當(dāng)量表面張力，相關(guān)參數(shù)送LED顯示和微型打印機(jī)打印。

4表面張力儀的分類

作為液體重要的物理性質(zhì)參數(shù)，表面張力無法直接通過熱力學(xué)微分關(guān)系式從狀態(tài)方程導(dǎo)出，只能通過儀器精密測量。表面張力的測定方法分為靜態(tài)法和動態(tài)法，其中靜態(tài)法包括最大氣泡壓力法、鉑金環(huán)法等，而動態(tài)法包括懸滴法、旋滴法等。表面張力儀根據(jù)所使用的測定方法不同，可分為如下幾類：

（1）鉑金環(huán)法表面張力儀

測量原理：首先將鉑金環(huán)輕輕地浸入液體內(nèi)，然后將鉑金環(huán)慢慢地往上提升，即液面相對而言下降，使得鉑金環(huán)下面形成一個液柱，并最終與鉑金環(huán)分離。整個過程中，鉑金環(huán)法表面張力儀會感測一個最高值，該值形成于鉑金環(huán)與液體樣品將離而未離時。這個最高值轉(zhuǎn)化為表面張力值的精度取決于液體的粘度。

（2）鉑金板法表面張力儀

測量原理：當(dāng)感測鉑金板浸入到被測液體后，鉑金板周圍就會受到表面張力的作用，液體的表面張力會將鉑金板盡量地往下拉。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，感測鉑金板就會停止向液體內(nèi)部浸入。這時候，儀器的平衡感應(yīng)器就會測量浸入深度，并將它轉(zhuǎn)化為液體的表面張力值。參見圖4。

圖4

（3）最大氣泡法表面張力儀

測量原理：將一根毛細(xì)管插入待測液體內(nèi)部，從管中緩慢地通入惰性氣體對其內(nèi)部的液體施以壓力，使它能在管端形成氣泡逸出。氣泡在生成及發(fā)展過程中，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，氣泡的曲率半徑為最小，正好等于毛細(xì)管半徑，此時所受的壓力差最大。參照圖5。然后根據(jù)拉普拉斯（Laplace）公式（1.1）可以計算得出表面張力：

Δp=2σ/R（1.1）

式中，Δp為附加壓力；σ為表面張力；R為氣泡的曲率半徑。

圖5

（4）懸滴法表面張力儀

測量原理：當(dāng)液體自管口滴落時，液體的大小與液體的密度和表面張力有關(guān)，并且落滴重量與管口半徑與液體表面張力有關(guān)。該方法是根據(jù)液滴的外形來測定表面張力的方法，其原理是根據(jù)Laplace關(guān)于毛細(xì)現(xiàn)象的方程（1.2）:

Δp=γ（1/R1+1/R2）（1.2）

Δp為表面壓力差，γ為表面張力，R1和R2為曲面半徑。

（5）旋轉(zhuǎn)滴法表面張力儀

測量原理：通過測定一種液體在不相溶的另一種液體中的停滴的赤道寬度及赤道至液體滴頂點高度，通過計算公式計算出這兩種液體的界面張力值。由于測得的是界面張力值，因此必須要求有兩相形成。主要用于測定超低表面張力，一般將表面張力值在10-1～10-3mN/m時稱為低表面張力，10-3mN/m以下稱為超低表面張力。

5表面張力儀的應(yīng)用

表面張力儀廣泛應(yīng)用于科研、生產(chǎn)的各個方面，如油漆、農(nóng)藥、電鍍、食品、生物工程等行業(yè)，概括如下：

a)墨水、油墨、油漆、染料、助劑等行業(yè)：分析印刷/涂布工藝中的可潤濕性、極性力和色散力組成，進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)以及質(zhì)量控制；

b)農(nóng)藥行業(yè)：添加劑研制，配方，可潤濕性分析；

c)紡織品行業(yè)：接觸角分析，染料可潤濕性分析，表面張力分析，附著力分析；

d)醫(yī)藥行業(yè)：藥片、藥物活性成分和輔助劑的浸潤行為分析，研究形成和膨脹性質(zhì)、行為能力，表面張力分析，可潤濕性分析；

e)電力行業(yè)：變壓器油、絕緣油表面張力分析，纖維束接觸角分析；

f)洗滌用品、清洗劑產(chǎn)業(yè)：表面活性劑吸附速度、性質(zhì)，討論適當(dāng)?shù)臐舛龋?/span>

g)食品工業(yè)、飼料：罐頭涂層表面張力分析、清潔度分析，食品罐頭和涂料的潤濕性。

Pu等人用軸稱滴形分析技術(shù)，通過復(fù)雜的Newton-Raphson計算與遞增迭代法結(jié)合將其發(fā)展為軸稱滴形輪廓法。如圖6所示，采用懸滴法獲取數(shù)據(jù)的試驗裝置示意圖，其主要包括光源、高速照相機(jī)、單色監(jiān)視器和計算機(jī)系統(tǒng)等。

圖6

趙慧暉等人使用鉑金板法測定橡膠膠乳的表面張力。作為橡膠膠乳的一個重要特性參數(shù)，表面張力對橡膠膠乳的黏結(jié)、濕潤、發(fā)泡、涂布及滲透性等應(yīng)用性能均有較大影響。實驗中使用鉑金板法表面張力儀對各種橡膠膠乳材料進(jìn)行張力測量，分別探討了測量時間、測量次數(shù)、鉑金板預(yù)潤濕高度對測量結(jié)果的影響，部分試驗數(shù)據(jù)如圖7-8所示，其中XSBRL、NRL、CRL分別代表了不同的橡膠膠乳材料。