芬兰Kibron专注表面张力仪测量技术,快速精准测量动静态表面张力

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表面张力的应用研究

来源:ALYSSA KERSLAKE 浏览 152 次 发布时间:2022-09-30

我们每天都会接触表面张力。用非专业的术语来讲,这种被称为表面张力的化学现象,描述了两个表面发生接触时,液体的凝聚现象。这也是物体表面清理时会遇到的最重要的障碍之一。


在这种状态下,液体分子彼此间的吸引力会比与其周围的物体表面间的引力更大。解释一下,就是当液体团聚成一个有着最小表面积的形态后,表面下的分子会对其上的分子施加作用力。

值得探索的表面张力


高表面张力的液体会形成三维的球状或气泡状。低表面张力的物料在其他表面上铺展并流动,也会呈现三维结构。


简言之,“分子间内聚力”将液体里的分子团聚,使其互相粘附。但是,其中一些液体分子来到液体外围,接触了不同的物质(如玻璃、塑料、或空气)。它们不能形成化学链接,也因此强化了彼此之间的联系。


水的表面张力是73达因/厘米,表面张力是雨滴为球形的原因。水银的表面张力为484达因/厘米。当我们将水银洒落在一个平整的表面时,可以得到很多液滴。但另一方面来看,表面张力可能会产生并发症。由于表面张力高,要对微小的元器件、具有压铆螺母柱的印刷电路板(PCBs)、或者对小孔和小洞进行清洗是非常具有挑战性的。


但很重要的是,你要理解表面张力并不是影响清洁效果的唯一因素。其他属性,如密度、材料的兼容性、价格、处理、气味、和包装等,它们的重要性也绝不逊于表面张力。但最后,在所有其他因素都相同的情况下,一个低表面张力的清洁剂,效果要远远超过高表面张力的清洁剂。


更低的表面张力,表明该产品的清洁效果更好。将表面张力和其他化学性质相结合,可以用来开发出一个可以预测搭配其他化学特性清洗方案效能的指标。这里指的就是“润湿指数”,它是清洁行业一个可以非常精准的预测清洁效果的指标。但也要注意,表面张力并非是影响表面清洁效果的唯一因素。如果使用的是气溶胶清洁剂,降低表面张力的优势在某些情况下并不明显。但是,这却是一个很有潜力的、非常有趣的主意。值得将它们在各种复杂的应用中进行测试的。


当需要进行精密清洗-主要是用于蒸汽脱脂-时,具有更低表面张力的清洗液将优于高表面张力的清洗液。由于具有更低的表面张力,清洗液可以更容易地进入到小裂缝中。它将直接影响清洗液对表面润湿的能力,否则很难做到有效清洗。


对于金属电镀,在电镀槽和需要电镀的材料间有效且一致的表面接触,对于最终成品的整体质量至关重要。用特定的工具对电镀槽的表面张力和电镀槽内润湿剂的浓度进行测量。


在含有金属离子的镀液中起湿润剂的作用的表面活性剂就出现了。这些助剂保证了电镀液的表面张力足够低,可以让电镀液均匀地扩散到整个工件表面,并填充表面上的微缝而不会黏着在缝隙里。此外,正确使用表面活性剂可以防止由阴极产生的氢气泡在被涂层金属中形成凹坑。


液体表面张力是液体润湿性质的最关键指标,可以用张力计来精确测量。也可以使用同样的方法来测量临界胶束浓度(CMC),临界胶束浓度可以提供讨论中的表面活性剂的效率方面的信息。


最好是通过测量表面张力的依赖浓度来监测润湿剂的用量,以保证表面活性剂的添加是经济且有效的。但是,当表面活性剂的浓度超过临界胶束浓度(CMC)后-这在电镀槽中是常见的情形,静态表面张力并不会随着溶液中表面活性剂浓度的增加而继续变化。幸运的是,在我们这里,我们记录动态表面张力的气泡压力传感器是浓度依赖性的。因此,它可以作为表面活性剂随时间变化损失的一种良好标示。我们通过实验室仪器创建一个参考曲线,然后,通过我们的便携式仪器法,就可以立即对电镀槽进行快速含量测试。


虽然希望通过表面活性剂的添加来获取表面张力降低的影响,但并不希望产生泡沫。


假设一个人要进行电镀或阳极氧化操作。在那种情况下,加工过程中形成的气泡上升到液体表面并破裂,导致损伤。在爆发时,铬酸液滴被瞬间释放到周围的空气中。在槽槽中加入润湿剂,可以降低液体的表面张力,从而减少液滴的产生。


在这个步骤中,使用滴重计或者表面张力计测量电镀槽的表面张力,以确保电镀槽中有足够的润湿剂。


一种新型聚合物涂层可以跨越超过150毫米的长度而不流失任何液体


据报道,2021年,多伦多大学的研究人员开发了一种新型涂层,可以让某些液体从其表面通过而不会有液量损失。这种涂层是由Kevin Golovin教授领导的持久驱避工程先进材料(DREAM)实验室研制的。该涂层可以助力各个领域的发展,包括医疗测试和表面清洁。该研究的论文已经发表在《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)期刊上。


据该大学介绍,目前的微流控设备是有限制的。它们只能有效处理具有高表面张力或高内聚力的液体,如水。微流控被定义为一个场域,在其中,少量的液体通过细微通道进行传输,传输通道通常不超过一毫米宽。


与低表面张力的液体,如醇类和其他溶剂相比,这些高表面张力的液体倾向于相互粘附在一起,而非被拉入到通道的各个侧面,实现自我运输。与玻璃上的雨滴相比,低表面张力的液体倾向于粘附在通道的侧面,而非各自独立流动。据观察,它们在液滴完全分解之前仅仅移动了10厘米左右。


由于毛细管作用对这些材料不起作用,因此,就需要额外的力量,如磁力或热量,将这些液滴进行运送。另一方面,涂层溶液的开发研究从自然世界中获得灵感,同时考虑其他移动材料的方法。


考虑到要搭建具备微流控的材料,多伦多大学的研究小组采用了两支最近开发的聚合物涂料,两支涂料都是采用类液高分子刷技术来研制的。其中一支比另一支更耐液体。由于这些聚合物的战略性组合,以更具防水抗性的涂层作为背景,包围着抗性更低的涂层,在将要加工的物体表面形成了微观通道。顺着这个通道,液体以特定的模式或方向进行传输,而不会有任何的液体流失或者且在传输时也不会有额外的能量输入。


科学家们发现,这种新型涂层可以跨越超过150毫米的长度而不流失任何液体,几乎是目前允许的最大距离的15倍。


基于这些结果,在将来,液体可能可以被移动到更远的距离,或者沿着特定的线路携带着其他液体一起移动,甚至有可能进行液滴的合并或分裂,而不会有任何数量上的损失,或暴露而交叉污染。在理想世界,只需要一到两滴血,该涂料将会在几分钟内就能识别出各种疾病。另外,该方案将会为芯片实验室和其他相关技术的研发铺平道路。除此之外,该涂料还可以用于其他各种的应用,例如,可以缩小通常在化学实验室中进行的常规分析程序。


此外,这项新技术还有助于减少研究实验室的废弃物。由于在实验室仪器表面没有残余物残留,也因此避免了交叉污染的可能性,研究人员可以重复使用同一台仪器,而不需要担心这些问题。