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表面张力测试基本方法

       液体表面张力的测定方法有很多种,如毛细管上升法、du Noüy环法、 Wilhelm板法、旋滴法、悬滴法、滴体积法、最大气泡压力法等。不同测试方法具有不同的特点,且其应用条件也不同。


      毛细管上升法是表面张力测试中最为经典的方法之一,可用于测定静态平衡的表面张力。但是对于不能完全润湿管壁的液体的表面张力测试过程中需要重新估算接触角,程序复杂,这种检测方法的实际应用并不是特别广泛。旋转液滴法主要应用于测定超低界面张力的测定,可用于多体系的超低界面张力研究,比如聚合物熔体、原油、沥青、微乳液等物质界面张力测试以及提高石油采收率方面的应用。

     最大气泡压力法是测定液体表面张力的一种常用方法,测定时将被测液体放到毛细管中,当毛细管下端端面与被测液体相切时,液体沿着毛细管上升,打开抽气瓶的活塞放水抽气,测定管中的压力逐渐减小,毛细管中压力将管中液面压至管口,形成气泡,曲率半径由大变小,直至恰好等于毛细管半径后,此时所受的压力差为最大,依据拉普拉斯(Laplace)公式(△P=2γ/r=ρg△l)获得待测物质的表面张力。这种检测方法设备简单,操作方便,但是由于采用气泡法所产生的气泡是一个不断生成的过程,会扰动液面平衡,导致液体表面温度易发生改变,不易控制气泡形成的速度,气泡在逸出的瞬间读取的气泡最大压力值的准确性也很难保证,毛细管的半径也不易准确测定。


    悬滴法依据在水平面上自然形成的液滴的形状测定待测物质的表面张力[10-11],其测试表面张力的方法设备复杂,操作麻烦,数据处理也较为复杂,并且需要知道待测物质的物理性质。滴重法是一种较准确的计量测算法[12]。恒温条件下,将待测液体通过管尖,缓慢地形成液滴落入容器内,待收集到足够量的液体时称量,根据液滴的总滴数计算出每滴液滴的平均重量,从而算出其表面张力。这种检测方法是一种经验方法,不能用来测定达到平衡较慢的液体表面张力。

   Du Noüy吊环法基本原理是将浸在液面上的金属环(铂丝制成)脱离液面,测定所需的最大拉力值,所得的最大拉力值等于吊环的自身重量加上待测液体的表面张力与被脱离液面周长的乘积之和[13]。Wilhelmy吊片法的测试原理是将长度为Ɩ,厚度为Ɩ’的薄片浸入液面,当拉起此薄片时,其周边受到表面张力的作用,记录吊片脱离液体所需与表面张力相抗衡的最大拉力F,最大拉力F等于液体的表面张力与薄片周长的乘积与吊片自身重量之和[14]。应用此法测试液体的表面张力,通常假设液体与薄片的接触角为0°,吊片很薄,其厚度可以忽略不计。可以看出这两种测试表面张力的方法都是通过测量力的方法来计算液体的表面张力,对样品润湿性要求较高,但Wilhelmy吊片法具有操作简单,不需校正,精度高等优点,并且还可用于界面张力的测定。缺点是样品用量大,升温速度慢,不适合用于复杂的气氛环境下以及高压环境下的表面张力的测定。由于使用的吊片或吊环的材料通常为铂金,对于含有阳离子表面活性剂水溶液的表面张力测试中,待测物质容易吸附于铂金固体表面,使表面变得疏水而不易被水溶液润湿,测试得到的表面张力。数据误差较大。 Padday等首先提出了用湿润的棒代替薄片,所得结果与上述两种方法完全一致, 精度可以达到±0.01 mN•m-1,这是一种全方位平衡的方法Christian等提出了通过测量在薄片或盘向上提起时弯月面液相的重力来计算表面张力的方法,此法可广泛应用于纯液体,阴、阳离子和中性的表面活性剂溶液表面张力的测定。Padday随后提出了用圆锥代替薄片, 并计算了圆锥常数,这种方法具有更高的稳定性,能用于较高温度条件下易挥发溶液的表面张力测定,准确度在±0.01 mN•m-1 以内。圆锥最大拉力法也是绝对法,不需要标准物质进行校正,只要圆锥符合要求,且锥面与弯月面形成的接触角保证为零度,就可准确测定溶液的表面张力。


   目前商品化的表(界)面张力测定仪大部分是依据于测力法的原理(Wilhely吊片法,Du Nouy吊环法),因为所采用的电子分析天平传感器具有很高的灵敏度和精确度。芬兰的Kibron公司开发的EZ-PiPlus的表面张力分析仪,结合了Du Nouy吊环法、Wilhely吊片法、Padday圆锥最大拉力法于一体的探针型表面张力仪测试表面张力的方法,这种方法使用了一种合金制成的探针代替传统的铂金环和铂金板。这种探针因其能抗化学腐蚀、具有良好的表面润湿性能,测试粘度大的液体时可以避免因为使用铂金板和铂金环因其材质太软而造成的变形,导致测量结果不准确,因此应用非常广泛。

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请问哪种方法准确性最好?
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  • 冰雪无疆 通常而言,如果是从原理上讲都能够测试的样品,我们认为其测值精度或误差范围是这样的一个关系, 图像外形分析法表面张力仪(如旋转滴表面张力仪、悬滴法表面张力仪、滴体积法表面张力仪)称重法表面张力仪(白金板法和白金环法)>最大气泡法表面张力仪。由于现在微量天平的精确度很高,因此Kibron公司开发的探针型表面张力测试技术具有更高的准确度,能够匹配上图像外形分析法表面张力仪测试的精确度
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  • 武痴

    谢谢楼主。

    还想问一下,综合来看的话,哪种在实际当中最适用,用得最多?

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  • 冰雪无疆 实际应用中,沉重法的表面张力仪在实际应用中最多,比如芬兰Kibron公司开发的EZ-Piplus动态表面张力测试仪、德国克鲁斯的K100系列等。最大气泡法也有一定的应用,比如德国SITA公司的鼓泡型表面张力仪T-100等。
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  • 我也说一句
能不能再详细说说各方法分别的应用?
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  • 冰雪无疆 旋转液滴法主要应用于超低表面张力的测定,悬滴法、滴体积法主要应用于高温高压环境下的液体的表面张力的测定,最大气泡法主要应用于样品粘度较小的液体的表面张力测试,而沉重法侧重于常规环境下各种液体的表面张力测试。
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  • 张生 回复冰***:谢谢解答
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  • 我也说一句
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