液体中表面张力和界面张力检测方案(表面张力仪)

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DKSH 何为表面张力和界面张力及如何测量 表面张力和界面张力在日常生活中起到重要作用，不管是洗衣服还是墙绘，都蕴含着界面张力现象。显而易见，表面张力和界面张力在不同的工业应用中也起到重重作用，例如气液或液液界面研究领域。 在这篇应用文章中，我们会介绍表面张力和界面张力知识及其测量方法，同时会讨论技术背后的原理，并阐明各测量方法的优势及局限。 什么是表面张力 1805年，英国物理学家托马斯·杨(Thomas Young)展示了表面的行为，就好像一层薄膜被拉长在表面上，变成了球形，就像肥皂泡一样。这个现象可作为理解表面张力的起点，该现象在日常生活和多领域均起到重要作用。 在分子层面上，液体分子间的吸引力是产生表面张力的重要因素。从整体层面讲，分子内各方向的作用力是相等的。然而表面分子周围的环境与其相邻分子并不相同，一个向内的合力把分子拉向物体，就形成了一种表面薄膜使其更难移动。 相同情况也应用在表面不相溶的两种液体之间，界面张力是产生在相互接触的两种分子界面上的力。 如果液体表面积增加，则界面上存在更多分子。因此表面液体相较于内部液体表面自由能更高。表面张力是增加每单位面积的能量，表面张力和界面张力的单位为 mN/m。一部分纯液体的表面张力数值如表1所示。水的表面张力比有机液体的表面张力高，只有甘油的表面张力与水接近。水和甘油由于含有氢键是强极性液体，故其表面张力高。 表1 Surface Tension mN/m Ethanol 22.4 Glycerol 63.4 Water 72.8 Toluene 28.5 Mercury 468.5 温度和压力对表面张力的影响 纯液体表面张力大小的最主要影响因素为温度。实验发面表面张力随温度的降低呈线性减小。当温度降低，分子热活性增加导致粘结性降低，因此导致表面张力下降。 另一个影响表面张力的因素为压力。在大部分应用中压力对表面张力的影响并不大，但如果过程发生在高压情况下即需考虑压力因素，包括提高采收率和超临界流体，一般来说气体在液体中的溶解度随压力的增大而增大，此时表面张力降低。二氧化碳和水在不同压力下的表界面张力如图3所示。界面张张随压力的增加而降低， -般到达120bar 界面张力相对平稳。 表面活性剂对表面张力的改变 纯净液体的表面张力很容易受到某些物质的影响，这部分物质称为表面活性剂。表面活性剂是包括亲水基团和疏水基团的两性分子如图4所示。当表面活性剂溶解到水中，会聚集到表面，因此亲水基团在水中，疏水基团在空气中，随着表面的水分子被表面活性剂分子替代，水和表面活性剂分子间的作用力小于水与水之间的作用力，因此表面张力降低。表面活性剂对表现张力的影响取决于其浓度，该浓度可通过临界胶束浓度参数表征。 除了表面活性剂的效率外，表面活性剂的起效速度在工业过程中也很重要。这是分子在界面上排列的速率。通常大分子表面活性剂反应较慢，在界面上排列花费的时间更长，从而需要更多的时间，直到达到平衡的表面张力。 在工业过程中通常使用表面活性剂降低液体表面和界面张力。表面张力的降低会增强液体的分散性，对染料和洗涤剂的生产起到重要作用。在表界面优化的领域中，界面张力的测量是至关重要的。 表面张力和界面张力测量技术 Thomas Young 发现了毛细作用和表面张力，毛细作用最先作为表面张力测量方法。如今，由于自动化和更换溶液快速等特点，力学法和光学法测量静态表面和界面张力得到了广泛的应用。 力学法 可使用力学法测试表面和界面张力。仪器以测量施加于气液或液液位置探针处力的变化。探针连接在灵敏的天平上，测试液体与探针接触。当探针与表面相互作用时，由天平测量的力的液体可以用来计算表面张力。力的大小取决于探针大小和形状，液体与探针间的接触角和液体的表面张力。探针的形状和大小容易控制，探针一般使用铂金材料，保证研究液体的接触角与探头的接触角为0。常用的探针类型有两种，铂金环和铂金板。当被测液体较少时金属棒也可以代替铂金板。力学法测定仪是表面张力和界面张力最常用的测试方法。 环法 该方法使用铂金环作为探针。环通过样品台的上升进入到测试样品中，浸没后，样品台高度逐渐降低，环最终被从测试液体中拉出，形成弯月面。如果样品台进一步降低，弯月面消失。在这个过程前，，弯月面体积到达最大值后开始下降。整个过程如图5所示。表面张力和界面张力的计算是基于测量最大力。环的浸没深度和环在测试过程中受到的最大拉力两者并无相对联系。原始的计算是基于环的直径无穷大，并不考虑环拉起的液体。在环下方的液体并不取决于表面张力而是毛细作用。下方液体有助于平衡力读数，将增加7%的表面张力值，软件包含自动校准因子，可将这部分力扣除。当使用校准因子时，需了解液体密度，或在界面处两种液体的密度差。 图5 板法 该方法采用铂金板作为探针。该方法计算的基础为板的完全浸湿周长。在该方法中，探针的位置对与测量来讲至关重要。探针进入到液体表面，仪器会准确测量力的变化，该位置被记做0位浸没深度。板随后进入到更深的位置(一般表面下几毫米)，当板返回到0位浸没深度，开始记录力的数值。通过看图6，影响铂金板的力变化可通过方程1解释。 图6 第一项为板的重量，第二项为浸润力，第三项为浮力。假定铂金板在液体中浸润时的接触角为0。 COS 0 为1， 可表示为方程2。 在板法测量过程中，只要板仍然与液体接触，此时即为静态或持续模式。 铂金棒法 上述提到的两种测量方法为保证探针完全浸入都需要大量液体。也可以使用小体积样品杯来减少所需液体样品量。然而，最少体积仍有限制。当样品杯边缘和探针过于接近，液体和杯边缘处产生的弯月面会影响平衡。为了避免这个问题，探针和杯的边缘必须有足够的空间。在任何技术中，测量的准确度会受到探针几何形状的影响。铂金棒法的测量精确度低于环法和板法，在测量表面和界面张力中铂金棒法会放大测量误差。因此只有在测量液体量较少的情况下才会使用铂金棒法。 铂金棒法计算原理与板法相同。 光学法测张力 光学测量法中的悬滴法也可测试液体表面和界面张力。针头处液滴悬挂的形状取决于包括液体表面张力在内的受力平衡。液体界面张力与液滴形状的关系如方程3所示。 T是表面张力，△p为液体的密度差，g是重力常数， RO是液滴曲率半径，B是形状因子。β可从Young-laplace 方程中获得。 使用迭代近似的现代计算方法求 Young-laplace 方程的解。因此，已知密度的任意两个不相溶液体间的表面张力和界面张力都能够计算。对于光学张力测量法中，液滴的大小至关重要，并且液滴要有垂坠的形状，且必须要保证针尖对液滴形状无影响。当测量表面张力时，液体和气体间的密度差足够大，5uL到20uL足够测量。当测量界面张力，密度差和界面张力对测量所需液滴体积有影响。研究发现，密度差越小，所需测量量积 越大。 方法对比 力学和光学张力测量法均是测试表面和界面张力的重要工具。由于两种方法测量快速，便捷，已广泛应用的各领域。对于任何测量方法来讲，均有其优势与劣势。 在力学法中，探针的形状至关重要。板和铂金棒相对来讲较结实，而环容易损坏。为了准确测量表面和界面张力，必须保证环的完整，因此环需更加精心保管。 力学法中另一重要因素则是探针的浸润。保证板的清洁对于准确测量至关重要。在测量中有可能液体吸附到板上面而影响板的浸润性从而影响测量准确性。另一方面，液体的粘性也对浸润性有影响。对于粘性样品，板法测量有明显的优势，因为其测量时间长，可保证板在界面完全稳定。这样会给粘性样品足够的时间去浸润板。许多标准使用的都是力学法中的板法和环法。力学法也能够自动测定临界胶束浓度。 悬滴法能够快速测定表面和界面张力。光学法经常用来测定接触角，测定接触角的同时也可通过悬滴法测定表面和界面张力。 还有一个问题需要考虑，当测定表面活性剂的表面张力时，所测得的表面张力是否是平衡值。当使用环法测定表面张力时，界面拉扯时会持续产生新的界面。这对纯液体来说没问题但对表面活性剂样品来说困难增加。随着界面面积增加，表面活性剂分子可去到 更大的界面，因此测量不容易达到平衡状态。这个影响有多大取决于表面活性剂分子的移动速度。表面活性剂分子越大移动速度越慢，需要更多的时间达到平衡。因此，环法测量的表面活性剂溶液的表面张力往往高于板法测量的表面张力，板法是一种静态测量。然而对于大部分样品来说并不会有该现象，只是提醒大家何时使用板法何时使用环法。对于界面张力测量来说，使用环法更有优势，板法测量需要两步来排除浮力的影响。而环法的浸湿周长通常是板法的3倍，导致环法测量的力提高3倍，会使测量结果更加准确。 结论 在该应用文章中，我们简单的介绍了表面张力和界面张力的测试方法，并且讨论了各测量方法的优缺点。具体的测量方法需根据应用方向决定。更多相关信息参见应用文章“如何针对应用领域选择最优测量方法” 更多内容，关注“大昌华嘉科学仪器部”微信公众号 选择大昌华嘉，就是选择仪器应用专家Think Asia. Think DKSH.www.dksh-instrument.cn 电话： 邮箱： ins.cn@dksh.com 表面张力和界面张力在日常生活中起到重要作用，不管是洗衣服还是墙绘，都蕴含着界面张力现象。显而易见，表面张力和界面张力在不同的工业应用中也起到重要作用，例如气液或液液界面研究领域。在这篇应用文章中，我们会介绍表面张力和界面张力知识及其测量方法，同时会讨论技术背后的原理，并阐明各测量方法的优势及局限。