摘要：分析了平板法测液体表面张力的测试原理，概括了表面张力仪平板法测液体表面张力的测试过程，从理论上分析了国产铂金板代替进口铂金板的可行性。通过实验，证明了国产铂金板可用在表面张力仪上进行日常测试，测试值与理论值偏差不超过0.2%。

表面张力是指在液体自由面的单位长度上所受拉力的大小。在纺织印染行业中常需对液体的表面张力进行测定。静态法是液体表面张力测定的常用方法，包括毛细管上升法、最大气泡压力法、Du-Noüy环法、Wilhelmy平板法、滴重法和滴体积法等。其中Wilhelmy平板法由Wilhelmy于1863年最先提出，后经改进，具有应用广泛，操作简单，不需校正，精度高等优点。

1 Wilhelmy平板法测试原理

如图1，将一块长度为a、厚度为b的平板（如铂金板）部分浸入待测液体中，板四周会受到液体向下的表面张力的作用，平板另一端连接天平，由天平测量平板所受垂直向下的合力。平板垂直向下的合力等于平板的重力与表面张力在垂直方向的分量之和，如式（1）。在式（1）中平板的重力已知，如液体与平板的接触角已知，则可计算得到液体的表面张力。

F合=mg+2(a+b)γcosθ(1)

式中：

F合——铂金板所受竖直向下的合力，N；

m——铂金板的质量，kg；

g——重力加速度，9.8 m/s²；

a——铂金板长度，mm；

b——铂金板厚度，mm；

γ——液体表面张力，mN/m；

θ——液体与铂金板的接触角，（°）。

测试中，常采用具有高能表面的铂金板，以确保液体对平板完全润湿，使接触角θ=0°，测试前天平如先将平板重力清零，天平测量的力则可直接转化为液体表面张力，见式（2）。

γ=F/2(a+b)(2)

式中：

γ——液体表面张力，mN/m；

F——天平测量的力，N；

a——铂金板长度，mm；

b——铂金板厚度，mm。

图1 Wilhelmy平板法测液体表面张力示意图

2表面张力仪平板法测液体表面张力过程

表面张力仪由德国Dataphysics公司研发并生产，主要用于液体表界面张力及固体材料动态接触角的测定。液体表面张力的测定可以采用板法和环法两种测量方法，其中板法基于Wilhelmy平板法测量原理，测量过程如图2。

图2表面张力仪平板法测量液体表面张力过程

测试前天平刀口自动锁定，将干净、干燥的铂金板上端插入天平刀口，测试运行后，天平刀口自动释放开始测量铂金板的重量并清零。测试过程如下：首先，装有液体的平台不断上升，如图2（a），铂金板开始接触液体因受浮力作用天平示数减小，减小至设定值后仪器默认探测到液面并储存平台位置；然后，平台继续上升到设置的浸没深度（一般为3 mm），如图2（b）；图2（c）平台下降至储存的位置，仪器开始测量，测试值达到设定的停止条件便自动停止。对于纯液体，可以选取合适范围内的值给出最终的平均值作为液体的表面张力值。

3进口铂金板可替换性理论分析

原配进口铂金板和BZY-1原配国产铂金板的主要区别如表1。

表1原配进口铂金板和BZY-1原配国产铂金板比较

3.1材料和表面处理

平板法测液体表面张力使用的平板一般由铂金或铂铱合金制成，铂铱合金较铂金具有更高的熔点、硬度及耐腐蚀性，具有更高的表面能。为提高润湿效果，平板表面一般进行粗糙处理，粗糙处理包括喷沙器、金刚砂打磨等。因此，进口铂金板较国产铂金板对液体具有更理想的润湿性，但价格更昂贵。

3.2质量

由表1知，进口铂金板质量较国产铂金板大，但表面张力仪测试时天平会先将平板重力清零，因此平板质量的差异对测试结果无影响。

3.3尺寸和外形

由式（2）可知，平板的尺寸（长度和厚度），直接影响测试结果。国产铂金板长度较进口铂金板稍长而厚度一致。表面张力仪应用软件可对a、b值进行编辑，如使用国产铂金板进行测试可以直接输入该板对应的a、b值，或软件中保持a、b值不变，根据公式计算，测试值只需乘以比例系数0.8375进行修正即可。国产铂金板上端是挂钩式，可以将前端挂钩剪除以方便插入天平刀口。

综上所述，在理论上国产铂金板经少许加工，测试结果经简单换算，BZY-1原配国产铂金板可以替代进口铂金板在表面张力仪上使用。

4进口铂金板可替换性实验验证

使用BZY-1表面张力仪（原配国产铂金板）、表面张力仪（原配进口铂金板）和表面张力仪（选配国产铂金板）对水、无水乙醇、合成墨水进行表面张力测试，测试结果如图3所示。

图3用三种方式测试液体表面张力结果

由图3结果可知，三种方式测出的表面张力与参考值相差不大。其中国产BZY-1表面张力仪的精度稍差于进口表面张力仪。表面张力仪选配国产铂金板测得的结果与参考值的偏差见表2。

表2表面张力仪（选配国产铂金板）测试偏差

液体+国产板参考值偏差/%

水72.10 72.14[50.06

乙醇22.00 21.97[50.14

合成墨水30.17 30.12 0.17

由表2知，表面张力仪（选配国产铂金板）对三种液体的测量值与参考值的偏差均在0.2%以内，可以满足测试需求。

5结论

BZY-1表面张力仪原配国产铂金板可以很好地替代表面张力仪原配铂金板，表面张力仪换用国产铂金板测量液体表面张力时，测试值与参考值偏差不超过0.2%，能有效保证测试精度，大大节省了测试成本。