表面張力測試儀試驗(yàn)原理和方法解析
更新時(shí)間：2023-02-02 | 點(diǎn)擊率：2423
什么是表面張力？
表面張力的測試方法,接觸角測量粗糙度和潤濕性液體分子之間的內(nèi)聚力負(fù)責(zé)稱為表面張力的現(xiàn)象。表面上的分子在所有面上都沒有相似的相鄰原子，因此它們在表面上與它們直接關(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，金屬和一般無機(jī)物表面的能量在100mN/m以上，稱為高能表面；塑料等有機(jī)物表面的能量較低，稱為低能表面。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，金屬和一般無機(jī)物表面的能量在100mN/m以上，稱為高能表面；塑料等有機(jī)物表面的能量較低，稱為低能表面。
表面張力和界面張力是什么？
表面張力是如何測量的？
平衡表面張力可以用力或光學(xué)張力計(jì)測量。
力量測定法
由張力計(jì)進(jìn)行的表面張力和界面張力的測量是基于探針與兩種流體界面的相互作用的力測量。可以通過確保在開始實(shí)驗(yàn)之前將探針的大部分浸沒在光相位中，像表面張力測量一樣執(zhí)行界面張力測量。
在這些實(shí)驗(yàn)中，一個(gè)探頭掛在天平上，并與測試的液體界面接觸。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（潤濕）。這是通過使用高能表面的探針來實(shí)現(xiàn)的。注意?探針由鉑/銥合金制成，確保潤濕和容易和可靠的清潔。力測量的數(shù)學(xué)解釋取決于所用探針的形狀。通常使用兩種類型的探針，即杜氏環(huán)和威廉板。金屬棒也可以用來限制液體樣品體積。
表面張力常用的測試方法：
1、鉑金板法：
當(dāng)感測浸入到被測液體后，白金板周圍就會(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液體潤濕。測試時(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)的力與儀器測試的反向的力達(dá)到平衡時(shí)，測試值就穩(wěn)定不變，如果是蒸餾水、乙醇等純物質(zhì)，整個(gè)測試過程最快只有幾秒鐘。
2、鉑金環(huán)法：
由于被廣泛應(yīng)用于du Nouy表面張力儀，這種方法又稱為du Nouy法，并因之操作簡便而被廣泛使用。白金環(huán)法這個(gè)稱法是因測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的鉑金絲做成周長為60mm的環(huán)。測試時(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。膜對鉑金環(huán)會(huì)有一個(gè)向下拉的力，測量整個(gè)鉑金環(huán)上提過程中膜對環(huán)的所作用的最大力值，再換算成真正的表面（界面）張力值。由于這種方法測試起來比較麻煩，測試誤差也比較大，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，通過旋轉(zhuǎn)使液滴處于一定的離心力場之中，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速可改變液滴的平衡形狀以便于測定。主要測量超低界面張力。
通常，我們在樣品管中充滿高密度相液體，再加入少量低密度相液體（或氣體，用于測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球形或圓柱形液滴。其形狀由轉(zhuǎn)速ω和界面張力決定。測定液滴的滴長（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：
通過處理最大的液滴的圖像來計(jì)算表面張力。
樣品管中裝滿高密度相，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，氣體通過毛細(xì)管，在毛細(xì)管端形成氣泡，并測出此氣泡的壓力，轉(zhuǎn)換成表面張力。
這也是測定液體表面張力的一種常用的方法,測定時(shí)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)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)
此方法與接觸角無關(guān),裝置簡單,測定快速;經(jīng)過適當(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，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用十分廣泛。
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