液体表面张力测试仪的使用和测量方法

　　1.引言

　　作用于液体表面并缩小液体表面积的力称为液体表面张力。表面张力计是一种专业的测量液体表面张力值的测量仪器。液体的表面张力值可以通过铂板法、铂环法、最大气泡法、悬液滴法、滴体积法和滴重法的原理来准确测量。同时，软件技术可以测量随时间变化的表面张力值。表面张力计，又称界面张力计，可以测试界面张力，也可以测量表面张力，如图1所示。本文将简要介绍液体表面张力测试仪的使用和测量方法。

　　2.概念介绍

　　a)表面：凝聚物相对于其纯气相的界面，如固气、液-气的界面；

　　b)表面张力：在物质内部，每个分子的作用力是对称的，而边界表面的作用力是不对称的，这种不对称的联合力是界面张力，称为液体气体和固体气体表面的表面张力，如图2所示。表面张力是材料的特性，其尺寸与温度和界面材料的性质有关；

　　c)表面张力仪:表面张力仪是专门为广大用户在界面化学测试过程中的研发和非常高质量的高精度控制需求而开发的仪器。该仪器操作简单，测量值准确。

　　3.表面张力仪的组成和测试过程

　　3.1表面张力仪的组成

　　一般来说，表面张力仪主要由探头、升降缸、换向阀、微型空气压缩机、节流阀和单片机测控单元组成。探头和计算机测控单元是测试仪数据采集和处理的核心部分。由微型空气压缩机、换向阀、节流阀和微型气缸组成的气路单元不仅可以为探头提供动力，还可以为毛细管提供适当的气源。

　　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、检测铂金板、微处理器等。

　　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，压缩空气通过换向阀和节流阀进入升降缸和探头；

　　b)升降缸驱动探头向下移动，将毛细管和温度传感器浸入测量液体中。节流后的压缩空气通过毛细管吹入液体。气泡中的压力变化可通过微压差传感器实时监测；

　　c)当压力达到一定的门限值时，计算机输出控制信号使升降缸停止运动，并不断收集压力信号和液体温度信号；

　　d)5s换向阀转向后，提出探头，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，发送相关参数LED显示和微型打印机打印。

　　4.表面张力仪的分类

　　表面张力作为液体重要的物理性质参数，不能通过热力学微分关系从状态方程直接导出，只能通过仪器精确测量。表面张力的测量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、铂环法等，动态法包括悬液滴法、旋转滴法等。根据使用的测量方法，表面张力

　　(1)铂金环法表面张力仪表

　　测量原理：首先将铂环轻轻浸入液体中，然后慢慢提升铂环，即液体表面相对下降，形成铂环下方

　　一个液体柱，最后与铂环分离。在整个过程中，铂环法的表面张力仪会感知一个最高值，这个值是在铂环和液体样品会离开而不离开的时候形成的。将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表

　　测量原理：当感知铂板浸入被测液体时，表面张力会影响铂板周围，液体的表面张力会尽可能地拉下铂板。当液体表面张力和其他相关力和平衡力达到平衡时，感应铂板将停止浸入液体内部。此时，仪器的平衡传感器将测量浸入深度并将其转化为液体的表面张力值。见图4。

　　(3)最大气泡法表面张力仪表

　　测量原理：将毛细管插入待测液体内部，慢慢将惰性气体从管道中引入，对其内部液体施加压力，使其在管道末端形成气泡逃逸。在气泡的产生和发展过程中，气泡的曲率半径会随着惰性气体的压力而变化。当气泡形状为半球形时，气泡的曲率半径最小，正好等于毛细管的半径，此时压差最大。参考图5。然后根据拉普拉斯（Laplace）公式（1.1)表面张力可计算得出：

　　Δp=2σ/R（1.1）

　　式中，Δp附加压力；σ表面张力；R曲率半径为气泡。

　　(4)悬滴法表面张力仪表

　　测量原理：当液体从管口滴落时，液体的大小与液体的密度和表面张力有关，滴落重量与管口半径和液体表面张力有关。这种方法是根据液滴的形状来测量表面张力的，其原理是基于Laplace关于毛细血管现象的方程(1).2）

　　Δp=γ（1/R1+1/R2）（1.2）

　　Δp表面压差，γ表面张力，R1和R二是曲面半径。

　　(5)旋转滴法表面张力仪

　　测量原理：通过计算公式计算两种液体的界面张力值，测量一种液体在另一种不溶性液体中停止滴的赤道宽度以及从赤道到液体滴顶点的高度。由于测量了界面张力值，因此需要形成两相。它主要用于测量超低表面张力。一般来说，表面张力值为10-1~10-3mN/m时间称为低表面张力，10-3mN/m以下称为超低表面张力。

　　5应用表面张力仪

　　表面张力仪广泛应用于科学研究和生产的各个方面，如油漆、农药、电镀、食品、生物工程等。

　　a)油墨、油墨、油漆、染料、添加剂等行业:分析印刷/涂装工艺中的润湿性、极性力和色散力，进行产品研发和质量控制；

　　b)农药工业：添加剂开发，配方，润湿性分析；

　　c)纺织行业：接触角分析、染料润湿性分析、表面张力分析、附着力分析；

　　d)医药行业:分析药片、药物活性成分和辅助剂的浸润行为，研究形成和膨胀性质、行为能力、表面张力分析、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)洗涤产品、清洁剂行业：表面活性剂的吸附速度、性质、适当浓度的讨论；

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

　　Pu通过复杂的轴称滴形分析技术Newton-Raphson计算与增量迭代法相结合，将其发展成轴称为滴形轮廓法。如图6所示，测试装置的示意图采用悬液滴法获取数据，主要包括光源、高速摄像机、单色监视器和计算机系统。

　　使用铂板法来确定橡胶乳的表面张力。表面张力作为橡胶乳的一个重要特性参数，对橡胶乳的粘结、湿、泡沫、涂层和渗透性的应用性能有很大的影响。在实验中，铂板表面张力仪用于测量各种橡胶乳材料的张力，并分别讨论了测量时间、测量次数和铂板预湿高度对测量结果的影响。部分测试数据如图7-8所示XSBRL，NRL，CRL不同的橡胶乳材料分别代表。