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表面张力仪的基本原理与应用

来源：测试GO 时间：2021-01-21 22:22:20 浏览：9213次

1引言

作用于液体表面，使液体表面积缩小的力称为液体表面张力。表面张力仪是专业用于测量液体表面张力值的测定仪器，通过铂金板法、铂金环法、最大气泡法、悬滴法、滴体积法以及滴重法等原理，可以精确测定液体的表面张力值。同时，利用软件技术，可测得随时间变化而变化的表面张力值。表面张力仪又称界面张力仪，可以测试界面张力也可测表面张力，仪器如图1所示。本文将对液体表面张力测试仪的使用以及测定方法进行简单介绍。

图1

2概念介绍

a)表面：凝聚态物质相对于其纯气相的界面，如固-气、液-气的界面算作表面；

b)表面张力：在物质内部，每个分子所受其周围分子的作用力是对称的，而处于界表面上的分子所受的作用力是不对称的，而这种不对称的合力就是界面张力，对液-气、固-气表面而言就称之为表面张力，如图2所示。表面张力是物质的特性，其大小与温度和界面两相物质的性质有关；

c)表面张力仪：表面张力仪是针对广大用户在界面化学测试过程中出现的，为研发及非常高品质的高精度控制需求而专门研制的仪器，仪器操作简单、测值精确。

图2

3表面张力仪的组成及测试过程

3.1表面张力仪的组成

一般表面张力仪主要由探头、升降缸、换向阀、微型空压机、节流阀和单片机测控单元等部分构成。其中探头和计算机测控单元为测试仪数据采集与处理的核心部分，由微型空压机、换向阀、节流阀和微型气缸构成的气路单元既可以为探头提供动力，又可以向毛细管提供流量适宜的气源。以铂金板法表面张力仪为例，其仪器组成结构简图如图3所示。主要部件包括样品台、探测铂金板、微处理机等。

图3

3.2表面张力仪的测试过程

仪器测试过程如下：

a)在计算机的控制下，微型空压机启动，压缩空气分别经换向阀和节流阀进入升降气缸和探头；

b)升降气缸驱动探头下移使毛细管和温度传感器浸入被测液体，节流后的压缩空气经毛细管向液体吹气，通过微压差传感器可以实时监测气泡内的压力变化；

c)当压力达到某一门限值时，计算机输出控制信号令升降缸停止运动，并不断采集泡内压力信号和液体温度信号；

d)5s后换向阀转向，探头被提出，同时停止吹气；

e)计算机自动识别ΔP和N值，计算当量表面张力，相关参数送LED显示和微型打印机打印。

4表面张力仪的分类

作为液体重要的物理性质参数，表面张力无法直接通过热力学微分关系式从状态方程导出，只能通过仪器精密测量。表面张力的测定方法分为静态法和动态法，其中静态法包括最大气泡压力法、铂金环法等，而动态法包括悬滴法、旋滴法等。表面张力仪根据所使用的测定方法不同，可分为如下几类：

（1）铂金环法表面张力仪

测量原理：首先将铂金环轻轻地浸入液体内，然后将铂金环慢慢地往上提升，即液面相对而言下降，使得铂金环下面形成一个液柱，并最终与铂金环分离。整个过程中，铂金环法表面张力仪会感测一个最高值，该值形成于铂金环与液体样品将离而未离时。这个最高值转化为表面张力值的精度取决于液体的粘度。

（2）铂金板法表面张力仪

测量原理：当感测铂金板浸入到被测液体后，铂金板周围就会受到表面张力的作用，液体的表面张力会将铂金板尽量地往下拉。当液体表面张力及其他相关的力与平衡力达到均衡时，感测铂金板就会停止向液体内部浸入。这时候，仪器的平衡感应器就会测量浸入深度，并将它转化为液体的表面张力值。参见图4。

图4

（3）最大气泡法表面张力仪

测量原理：将一根毛细管插入待测液体内部，从管中缓慢地通入惰性气体对其内部的液体施以压力，使它能在管端形成气泡逸出。气泡在生成及发展过程中，气泡的曲率半径将随惰性气体的压力变化而改变，当气泡的形状恰为半球形时，气泡的曲率半径为最小，正好等于毛细管半径，此时所受的压力差最大。参照图5。然后根据拉普拉斯（Laplace）公式（1.1）可以计算得出表面张力：

Δp=2σ/R（1.1）

式中，Δp为附加压力；σ为表面张力；R为气泡的曲率半径。

图5

（4）悬滴法表面张力仪

测量原理：当液体自管口滴落时，液体的大小与液体的密度和表面张力有关，并且落滴重量与管口半径与液体表面张力有关。该方法是根据液滴的外形来测定表面张力的方法，其原理是根据Laplace关于毛细现象的方程（1.2）:

Δp=γ（1/R1+1/R2）（1.2）

Δp为表面压力差，γ为表面张力，R1和R2为曲面半径。

（5）旋转滴法表面张力仪

测量原理：通过测定一种液体在不相溶的另一种液体中的停滴的赤道宽度及赤道至液体滴顶点高度，通过计算公式计算出这两种液体的界面张力值。由于测得的是界面张力值，因此必须要求有两相形成。主要用于测定超低表面张力，一般将表面张力值在10-1～10-3mN/m时称为低表面张力，10-3mN/m以下称为超低表面张力。

5表面张力仪的应用

表面张力仪广泛应用于科研、生产的各个方面，如油漆、农药、电镀、食品、生物工程等行业，概括如下：

a)墨水、油墨、油漆、染料、助剂等行业：分析印刷/涂布工艺中的可润湿性、极性力和色散力组成，进行产品研发以及质量控制；

b)农药行业：添加剂研制，配方，可润湿性分析；

c)纺织品行业：接触角分析，染料可润湿性分析，表面张力分析，附着力分析；

d)医药行业：药片、药物活性成分和辅助剂的浸润行为分析，研究形成和膨胀性质、行为能力，表面张力分析，可润湿性分析；

e)电力行业：变压器油、绝缘油表面张力分析，纤维束接触角分析；

f)洗涤用品、清洗剂产业：表面活性剂吸附速度、性质，讨论适当的浓度；

g)食品工业、饲料：罐头涂层表面张力分析、清洁度分析，食品罐头和涂料的润湿性。

Pu等人用轴称滴形分析技术，通过复杂的Newton-Raphson计算与递增迭代法结合将其发展为轴称滴形轮廓法。如图6所示，采用悬滴法获取数据的试验装置示意图，其主要包括光源、高速照相机、单色监视器和计算机系统等。

图6

赵慧晖等人使用铂金板法测定橡胶胶乳的表面张力。作为橡胶胶乳的一个重要特性参数，表面张力对橡胶胶乳的黏结、湿润、发泡、涂布及渗透性等应用性能均有较大影响。实验中使用铂金板法表面张力仪对各种橡胶胶乳材料进行张力测量，分别探讨了测量时间、测量次数、铂金板预润湿高度对测量结果的影响，部分试验数据如图7-8所示，其中XSBRL、NRL、CRL分别代表了不同的橡胶胶乳材料。