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​什么是表面张力?表面张力仪的结构组成、测试过程、校准方法、分类及应用

来源: 浏览 108 次 发布时间:2024-06-05

什么是表面张力?以球形液滴铺展到表面为例,表面积变大、意味着液体内部的某些分子被“拉到“表面并铺于表面上。当内部分子被拉到表面时,需要克服内部分子的吸引力而消耗功。因此,表面张力可定义为增加单位面积所消耗的功。


表面张力的单位是N/M。是作用在单位长度上的力。


分子间力可以引起净吸力。而净吸力引起表面张力,表面张力永远和液体表面相切,而和净吸力相互垂直。


表面张力仪的结构组成


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1所示。主要部件包括样品台、探测铂金板、微处理机等。

图1铂金板法表面张力仪的系统简图


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。


表面张力仪校准方法


校正仪器首先调节张面张力仪底部的升降螺丝,使仪器平台呈水平。之后,检查铂金圆环的周边是否水平,如不呈水平则调正之。再调整零点,然后将已知质量的游码置于仪器的圆环上,测出其读数。用下式计算应得的值:


式中9——重力加速度,m/s2;


m——游码的质量,g;


L——铂金圆环的周长,m。


如测出的读数与计算值不符时,调节仪器直至相符为止。


c.测定测定应在恒温室中进行。测试液的温度应保持恒定,该温度一般可在20~25℃范围内任选一种。


测定时,测量杯先用待测溶液冲洗几次,然后用移液管从大量待测溶液的中部吸取试验份样于测量杯内。将此测量杯放在仪器的平台上,升起平台至铂金圆环浸入测试溶液的中部,再慢慢地放低平台,同时调节连接铂金圆环的臂上的拉力,使臂上的平衡指针与反射镜上的红线重合。继续小心缓慢地降低平台。并不断调节臂上的拉力,使铂金圆环上、下二力始终保持平衡。当铂金圆环刚露出液面时,在圆环与液面之间会形成一液膜,当拉力增大到一定程度时,液膜破裂,读出此时刻度盘上的读数,即为该测试溶液测得的表面张力值。测量示意图如图2所示。

图2表面张力测量


重复上述操作,连续测试5次。同一样品连续5次测得的表面张力值相差不允许超过0.2mN/m。


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3。

图3铂金板法表面张力仪的测量原理示意图


(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4。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4最大气泡法表面张力仪的测量原理示意图


(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10-1~10-3 mN/m时称为低表面张力,10-3 mN/m以下称为超低表面张力。


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。


应用要点:


物体表面张力与物质的结构联系紧密,有必要对物体的表面张力进行精准测量,进而对于其内部结构进行更为细致的研究。


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。如表面油墨、油品、芬芳剂、涂料等表面张力的测试,通过对涂料的表面张力进行测试,若测得结果低于基质的表面能,则需要对表面进行润湿。如果基质的界面张力低,如塑料,或者是基质表面被污染或者有油脂残留,都会导致不充分润湿或润湿有问题。水性涂料的高表面张力使其很难达到很好的涂层效果,加入以有机硅为基的润湿剂可以显著降低水性涂料的表面张力,从而保证较好的润湿效果等等。


表面张力仪需严格按照CNAS要求管理,定期校准,确保检测结果的可靠性和精准性。