1.引言

　　作用于液體表面并縮小液體表面積的力稱為液體表面張力。表面張力計(jì)是一種專業(yè)的測(cè)量液體表面張力值的測(cè)量?jī)x器。液體的表面張力值可以通過鉑板法、鉑環(huán)法、最大氣泡法、懸液滴法、滴體積法和滴重法的原理來準(zhǔn)確測(cè)量。同時(shí)，軟件技術(shù)可以測(cè)量隨時(shí)間變化的表面張力值。表面張力計(jì)，又稱界面張力計(jì)，可以測(cè)試界面張力，也可以測(cè)量表面張力，如圖1所示。本文將簡(jiǎn)要介紹液體表面張力測(cè)試儀的使用和測(cè)量方法。

　　2.概念介紹

　　a)表面：凝聚物相對(duì)于其純氣相的界面，如固氣、液-氣的界面；

　　b)表面張力：在物質(zhì)內(nèi)部，每個(gè)分子的作用力是對(duì)稱的，而邊界表面的作用力是不對(duì)稱的，這種不對(duì)稱的聯(lián)合力是界面張力，稱為液體氣體和固體氣體表面的表面張力，如圖2所示。表面張力是材料的特性，其尺寸與溫度和界面材料的性質(zhì)有關(guān)；

　　c)表面張力儀:表面張力儀是專門為廣大用戶在界面化學(xué)測(cè)試過程中的研發(fā)和非常高質(zhì)量的高精度控制需求而開發(fā)的儀器。該儀器操作簡(jiǎn)單，測(cè)量值準(zhǔn)確。

　　3.表面張力儀的組成和測(cè)試過程

　　3.1表面張力儀的組成

　　一般來說，表面張力儀主要由探頭、升降缸、換向閥、微型空氣壓縮機(jī)、節(jié)流閥和單片機(jī)測(cè)控單元組成。探頭和計(jì)算機(jī)測(cè)控單元是測(cè)試儀數(shù)據(jù)采集和處理的核心部分。由微型空氣壓縮機(jī)、換向閥、節(jié)流閥和微型氣缸組成的氣路單元不僅可以為探頭提供動(dòng)力，還可以為毛細(xì)管提供適當(dāng)?shù)臍庠础?/p>

　　以鉑金板法表面張力儀為例，其儀器組成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示。主要部件包括樣品臺(tái)、檢測(cè)鉑金板、微處理器等。

　　3.2表面張力儀的測(cè)試過程

　　儀器測(cè)試過程如下：

　　a)在計(jì)算機(jī)的控制下，微型空壓機(jī)啟動(dòng)，壓縮空氣通過換向閥和節(jié)流閥進(jìn)入升降缸和探頭；

　　b)升降缸驅(qū)動(dòng)探頭向下移動(dòng)，將毛細(xì)管和溫度傳感器浸入測(cè)量液體中。節(jié)流后的壓縮空氣通過毛細(xì)管吹入液體。氣泡中的壓力變化可通過微壓差傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；

　　c)當(dāng)壓力達(dá)到一定的門限值時(shí)，計(jì)算機(jī)輸出控制信號(hào)使升降缸停止運(yùn)動(dòng)，并不斷收集壓力信號(hào)和液體溫度信號(hào)；

　　d)5s換向閥轉(zhuǎn)向后，提出探頭，同時(shí)停止吹氣；

　　e)計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別ΔP和n值，計(jì)算當(dāng)量表面張力，發(fā)送相關(guān)參數(shù)LED顯示和微型打印機(jī)打印。

　　4.表面張力儀的分類

　　表面張力作為液體重要的物理性質(zhì)參數(shù)，不能通過熱力學(xué)微分關(guān)系從狀態(tài)方程直接導(dǎo)出，只能通過儀器精確測(cè)量。表面張力的測(cè)量方法分為靜態(tài)法和動(dòng)態(tài)法，其中靜態(tài)法包括最大氣泡壓力法、鉑環(huán)法等，動(dòng)態(tài)法包括懸液滴法、旋轉(zhuǎn)滴法等。根據(jù)使用的測(cè)量方法，表面張力

　　(1)鉑金環(huán)法表面張力儀表

　　測(cè)量原理：首先將鉑環(huán)輕輕浸入液體中，然后慢慢提升鉑環(huán)，即液體表面相對(duì)下降，形成鉑環(huán)下方

　　一個(gè)液體柱，最后與鉑環(huán)分離。在整個(gè)過程中，鉑環(huán)法的表面張力儀會(huì)感知一個(gè)最高值，這個(gè)值是在鉑環(huán)和液體樣品會(huì)離開而不離開的時(shí)候形成的。將最高值轉(zhuǎn)化為表面張力值的精度取決于液體的粘度。

　　(2)鉑金板法表面張力儀表

　　測(cè)量原理：當(dāng)感知鉑板浸入被測(cè)液體時(shí)，表面張力會(huì)影響鉑板周圍，液體的表面張力會(huì)盡可能地拉下鉑板。當(dāng)液體表面張力和其他相關(guān)力和平衡力達(dá)到平衡時(shí)，感應(yīng)鉑板將停止浸入液體內(nèi)部。此時(shí)，儀器的平衡傳感器將測(cè)量浸入深度并將其轉(zhuǎn)化為液體的表面張力值。見圖4。

　　(3)最大氣泡法表面張力儀表

　　測(cè)量原理：將毛細(xì)管插入待測(cè)液體內(nèi)部，慢慢將惰性氣體從管道中引入，對(duì)其內(nèi)部液體施加壓力，使其在管道末端形成氣泡逃逸。在氣泡的產(chǎn)生和發(fā)展過程中，氣泡的曲率半徑會(huì)隨著惰性氣體的壓力而變化。當(dāng)氣泡形狀為半球形時(shí)，氣泡的曲率半徑最小，正好等于毛細(xì)管的半徑，此時(shí)壓差最大。參考圖5。然后根據(jù)拉普拉斯（Laplace）公式（1.1)表面張力可計(jì)算得出：

　　Δp=2σ/R（1.1）

　　式中，Δp附加壓力；σ表面張力；R曲率半徑為氣泡。

　　(4)懸滴法表面張力儀表

　　測(cè)量原理：當(dāng)液體從管口滴落時(shí)，液體的大小與液體的密度和表面張力有關(guān)，滴落重量與管口半徑和液體表面張力有關(guān)。這種方法是根據(jù)液滴的形狀來測(cè)量表面張力的，其原理是基于Laplace關(guān)于毛細(xì)血管現(xiàn)象的方程(1).2）

　　Δp=γ（1/R1+1/R2）（1.2）

　　Δp表面壓差，γ表面張力，R1和R二是曲面半徑。

　　(5)旋轉(zhuǎn)滴法表面張力儀

　　測(cè)量原理：通過計(jì)算公式計(jì)算兩種液體的界面張力值，測(cè)量一種液體在另一種不溶性液體中停止滴的赤道寬度以及從赤道到液體滴頂點(diǎn)的高度。由于測(cè)量了界面張力值，因此需要形成兩相。它主要用于測(cè)量超低表面張力。一般來說，表面張力值為10-1~10-3mN/m時(shí)間稱為低表面張力，10-3mN/m以下稱為超低表面張力。

　　5應(yīng)用表面張力儀

　　表面張力儀廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究和生產(chǎn)的各個(gè)方面，如油漆、農(nóng)藥、電鍍、食品、生物工程等。

　　a)油墨、油墨、油漆、染料、添加劑等行業(yè):分析印刷/涂裝工藝中的潤(rùn)濕性、極性力和色散力，進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)和質(zhì)量控制；

　　b)農(nóng)藥工業(yè)：添加劑開發(fā)，配方，潤(rùn)濕性分析；

　　c)紡織行業(yè)：接觸角分析、染料潤(rùn)濕性分析、表面張力分析、附著力分析；

　　d)醫(yī)藥行業(yè):分析藥片、藥物活性成分和輔助劑的浸潤(rùn)行為，研究形成和膨脹性質(zhì)、行為能力、表面張力分析、潤(rùn)濕性分析；

　　e)電力行業(yè)：變壓器油、絕緣油表面張力分析、纖維束接觸角分析；

　　f)洗滌產(chǎn)品、清潔劑行業(yè)：表面活性劑的吸附速度、性質(zhì)、適當(dāng)濃度的討論；

　　g)食品工業(yè)，飼料：罐頭涂料表面張力分析，清潔度分析，罐頭和涂料的潤(rùn)濕性。

　　Pu通過復(fù)雜的軸稱滴形分析技術(shù)Newton-Raphson計(jì)算與增量迭代法相結(jié)合，將其發(fā)展成軸稱為滴形輪廓法。如圖6所示，測(cè)試裝置的示意圖采用懸液滴法獲取數(shù)據(jù)，主要包括光源、高速攝像機(jī)、單色監(jiān)視器和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

　　使用鉑板法來確定橡膠乳的表面張力。表面張力作為橡膠乳的一個(gè)重要特性參數(shù)，對(duì)橡膠乳的粘結(jié)、濕、泡沫、涂層和滲透性的應(yīng)用性能有很大的影響。在實(shí)驗(yàn)中，鉑板表面張力儀用于測(cè)量各種橡膠乳材料的張力，并分別討論了測(cè)量時(shí)間、測(cè)量次數(shù)和鉑板預(yù)濕高度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。部分測(cè)試數(shù)據(jù)如圖7-8所示XSBRL，NRL，CRL不同的橡膠乳材料分別代表。