液體表面張力儀詳細(xì)解讀

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(cè)量液體表面張力值的測(cè)定儀器，通過(guò)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(cè)定液體的表面張力值。同時(shí)，利用軟件技術(shù)，可測(cè)得隨時(shí)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(cè)試界面張力也可測(cè)表面張力，儀器如圖1所示。本文將對(duì)液體表面張力測(cè)試儀的使用以及測(cè)定方法進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

圖1 全自動(dòng)表面界面張力儀

概念介紹

a) 表面：凝聚態(tài)物質(zhì)相對(duì)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(gè)分子所受其周圍分子的作用力是對(duì)稱的，而處于界表面上的分子所受的作用力是不對(duì)稱的，而這種不對(duì)稱的合力就是界面張力，對(duì)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(duì)廣大用戶在界面化學(xué)測(cè)試過(guò)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(jiǎn)單、測(cè)值精確。

圖2 表面張力示意圖

表面張力儀的組成及測(cè)試過(guò)程

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(cè)控單元等部分構(gòu)成。其中探頭和計(jì)算機(jī)測(cè)控單元為測(cè)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(dòng)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(jiǎn)圖如圖3所示。主要部件包括樣品臺(tái)、探測(cè)鉑金板、微處理機(jī)等。

圖3 鉑金板法表面張力儀的系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

2.表面張力儀的測(cè)試過(guò)程

儀器測(cè)試過(guò)程如下：

a) 在計(jì)算機(jī)的控制下，微型空壓機(jī)啟動(dòng)，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(dòng)探頭下移使毛細(xì)管和溫度傳感器浸入被測(cè)液體，節(jié)流后的壓縮空氣經(jīng)毛細(xì)管向液體吹氣，通過(guò)微壓差傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣泡內(nèi)的壓力變化;

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

d) 5s后換向閥轉(zhuǎn)向，探頭被提出，同時(shí)停止吹氣;

e) 計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別ΔP和N值，計(jì)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。

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(wú)法直接通過(guò)熱力學(xué)微分關(guān)系式從狀態(tài)方程導(dǎo)出，只能通過(guò)儀器精密測(cè)量。表面張力的測(cè)定方法分為靜態(tài)法和動(dòng)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(dòng)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(cè)定方法不同，可分為如下幾類：

(1)鉑金環(huán)法表面張力儀

測(cè)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(duì)而言下降，使得鉑金環(huán)下面形成一個(gè)液柱，并最終與鉑金環(huán)分離。整個(gè)過(guò)程中，鉑金環(huán)法表面張力儀會(huì)感測(cè)一個(gè)最高值，該值形成于鉑金環(huán)與液體樣品將離而未離時(shí)。這個(gè)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(cè)量原理：當(dāng)感測(cè)鉑金板浸入到被測(cè)液體后，鉑金板周圍就會(huì)受到表面張力的作用，液體的表面張力會(huì)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(shí)，感測(cè)鉑金板就會(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。參見(jiàn)圖4.

圖4 鉑金板法表面張力儀的測(cè)量原理示意圖

(3)最大氣泡法表面張力儀

測(cè)量原理：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)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(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)，氣泡的曲率半徑為最小，正好等于毛細(xì)管半徑，此時(shí)所受的壓力差最大。參照?qǐng)D5.然后根據(jù)拉普拉斯(Laplace)公式(1.1)可以計(jì)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 最大氣泡法表面張力儀的測(cè)量原理示意圖

(4)懸滴法表面張力儀

測(cè)量原理：當(dāng)液體自管口滴落時(shí)，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(lái)測(cè)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(cè)量原理：通過(guò)測(cè)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(diǎn)高度，通過(guò)計(jì)算公式計(jì)算出這兩種液體的界面張力值。由于測(cè)得的是界面張力值，因此必須要求有兩相形成。主要用于測(cè)定超低表面張力，一般將表面張力值在10-1～10-3 mN/m時(shí)稱為低表面張力，10-3 mN/m以下稱為超低表面張力。

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(gè)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(rùn)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(rùn)濕性分析;

c) 紡織品行業(yè)：接觸角分析，染料可潤(rùn)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(rùn)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(rùn)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?

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(rùn)濕性。

Pu等人用軸稱滴形分析技術(shù)，通過(guò)復(fù)雜的Newton-Raphson計(jì)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(yàn)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)等。

圖6 ADSA-P試驗(yàn)裝置示意圖

趙慧暉等人使用鉑金板法測(cè)定橡膠膠乳的表面張力。作為橡膠膠乳的一個(gè)重要特性參數(shù)，表面張力對(duì)橡膠膠乳的黏結(jié)、濕潤(rùn)、發(fā)泡、涂布及滲透性等應(yīng)用性能均有較大影響。實(shí)驗(yàn)中使用鉑金板法表面張力儀對(duì)各種橡膠膠乳材料進(jìn)行張力測(cè)量，分別探討了測(cè)量時(shí)間、測(cè)量次數(shù)、鉑金板預(yù)潤(rùn)濕高度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，部分試驗(yàn)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。

圖7 表面張力儀測(cè)試時(shí)間對(duì)表面張力測(cè)試值的影響

 圖8 預(yù)潤(rùn)濕高度對(duì)表面張力測(cè)試值的影響