表面張力測(cè)量原理

液體表面張力有著一種互相吸引的傾向，當(dāng)液體與水氣面（氣體）互相接觸時(shí)，而兩者之間產(chǎn)生的面，便是所知道的“界面”。一個(gè)非常貼切的例子是：一滴水自空氣中落下所形成的球形狀態(tài)，是因?yàn)楸砻鎻埩κ顾砻孀钚』傻捏w積。

表面張力產(chǎn)生的原因是液體跟氣體接觸的表面存在一個(gè)薄層，叫做表面層，表面層里的分子比液體內(nèi)部稀疏，分子間的距離比液體內(nèi)部大一些，分子間的相互作用表現(xiàn)為引力。如同要把彈簧拉開些，彈簧反而表現(xiàn)具有收縮的趨勢(shì)。正是因?yàn)檫@種張力的存在，有些小昆蟲才能無拘無束地在水面上行走自如。分子在液體表面揮發(fā)出很強(qiáng)的吸引力，互相吸引在鄰近的分子，這種合力在每一單位長(zhǎng)度的表面任何交點(diǎn)成垂直線，便是所述的表面張力，它是以Dynes/cm為測(cè)量單位。

表面張力測(cè)量方法有電導(dǎo)法、表面張力法、光散射法、染料法等，目前還有許多現(xiàn)代儀器方法測(cè)定CMC，如熒光光度法、核磁共振法、導(dǎo)數(shù)光譜法等。我們以最大氣泡壓力法為例來說明表面張力的測(cè)量原理。

最大氣泡壓力法

最大氣泡壓力法，氣泡在壓力下出自不同直徑的兩支玻璃管口，在液體里最大壓力差產(chǎn)生的氣泡直接與表面張力是成正比例的。表面活性劑內(nèi)含的活性分子的表面張力變化便需要用最大氣泡壓力法去測(cè)量。氣泡形成時(shí)，根據(jù)速度的改變所得到的數(shù)據(jù)，便可作為研究表面活性劑的活躍分子擴(kuò)散時(shí)間，即是動(dòng)態(tài)表面張力測(cè)量方法。

表面活性劑的活躍分子，動(dòng)態(tài)是它的特征，表面張力高，界面擴(kuò)展時(shí)間便減少，限制了表面活性劑分子移往界面，因此便發(fā)現(xiàn)液體的測(cè)量尺度可以是動(dòng)態(tài)表面張力或表面擴(kuò)散時(shí)間。而表面活性劑亦顯示了它的3個(gè)特征，即表面張力測(cè)量的同時(shí)可研究表面活性劑濃度功能，動(dòng)態(tài)表面張力和界面擴(kuò)散時(shí)間。

表面張力計(jì)可以從表面活性劑的動(dòng)態(tài)曲線的任何點(diǎn)做開始間歇或連續(xù)測(cè)量，而連續(xù)測(cè)量的功能是基于表面張力的控制參數(shù)。在慢速度的氣泡下，表面張力擴(kuò)散時(shí)間大約等于氣泡速度，當(dāng)氣泡速度增加時(shí)，表面擴(kuò)散時(shí)間與氣泡速度即成反比例的減少。如果氣泡速度很快增加，氣泡便會(huì)連接一起，形成振蕩射流式（測(cè)量動(dòng)態(tài)表面張力），示波器的相關(guān)軟件程序可以準(zhǔn)確檢驗(yàn)（核實(shí)）氣泡分離和準(zhǔn)確讀出快速氣泡的擴(kuò)散時(shí)間。

表面張力測(cè)量?jī)x器——表面張力計(jì)

表面張力計(jì)是專業(yè)用于測(cè)量液體表面張力值的專業(yè)測(cè)量?jī)x器，包括氣泡發(fā)生單元、壓力感應(yīng)單元、溫度檢測(cè)單元和顯示器。通過單片機(jī)控制微泵的氣體進(jìn)出流量，避免額定功率的氣泵或玻璃裝置帶來的儀器或人為誤差，提高了測(cè)量的精密度，且操作簡(jiǎn)單。

張力計(jì)結(jié)構(gòu)

表面張力計(jì)組成包括氣泡發(fā)生單元、壓力感應(yīng)單元、溫度檢測(cè)單元以及顯示器，如右圖，氣泡發(fā)生單元、壓力感應(yīng)單元、溫度檢測(cè)單元分別與顯示器相連接，氣泡發(fā)生單元與壓力感應(yīng)單元連接。

氣泡發(fā)生單元包括毛細(xì)管、微泵和diyi電子驅(qū)動(dòng)控制器，用于向液體表面輸出氣體產(chǎn)生氣泡；微泵上設(shè)有進(jìn)氣口、出氣口和連接頭，毛細(xì)管的一端通過出氣口與微泵連接，diyi驅(qū)動(dòng)控制器與顯示器相連；

壓力感應(yīng)單元包括壓力傳感器和第二電子驅(qū)動(dòng)控制器，用于檢測(cè)氣泡產(chǎn)生的壓力；毛細(xì)管、出氣口和壓力傳感器通過三通相互連接，第二電子驅(qū)動(dòng)器與壓力傳感器。顯示器連接；

溫度檢測(cè)單元包括溫度檢測(cè)器和溫度傳感棒，用于檢測(cè)液體的溫度；溫度傳感棒一端與溫度檢測(cè)器連接，另一端深入液體內(nèi)部；溫度檢測(cè)器與顯示器連接。

表面張力計(jì)算公式

F=б∫dl

б=△E/△A

其中∫dl為液體表面邊界環(huán)路積分，б為表面張力系數(shù)，E為表面自由能。

表面張力一般是實(shí)驗(yàn)測(cè)定的，除了做題的時(shí)候沒人會(huì)算這個(gè)，因?yàn)橐愕脑挧乙獪y(cè)定，l要測(cè)定，還不如直接把F測(cè)出來完了…

結(jié)論

1、在實(shí)際測(cè)量表面張力時(shí)，可以根據(jù)要求的實(shí)驗(yàn)精度、溫度壓力和設(shè)備的實(shí)現(xiàn)難易程度來選擇。當(dāng)要求精度比較高時(shí)，可以采用毛細(xì)管上升法、最大氣泡壓力法、DuNouy吊片法，否則可以選擇Wilhelmy吊環(huán)法、懸滴法或旋滴法。當(dāng)溫度和壓力比較高的時(shí)候，可以采用毛細(xì)管上升法、滴體積法、旋滴法、懸滴法、最大氣泡壓力法和震蕩射流法進(jìn)行測(cè)定。

2、當(dāng)同時(shí)考察溫度、壓力和氣氛對(duì)表面張力的影響時(shí)，懸滴法是最有效的方法之一。隨著CCD攝像技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖像采集處理技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了滴外形法的發(fā)展，該技術(shù)不但可以研究懸滴和躺滴，而且可以測(cè)定震蕩泡壓；既可以遙控測(cè)定在模擬空間站的微重力環(huán)境下的張力和膨脹粘度，又可以模擬地下溫度、壓力，測(cè)定油一水界面張力，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)測(cè)量，測(cè)量速度極快，排除人為因素的影響，數(shù)據(jù)客觀可靠。因此，應(yīng)用軸稱滴形分析技術(shù)的懸滴法必將在表面及界面科學(xué)研究中發(fā)揮巨大的作用。