表面張力的測(cè)定方法

1、表面張力的測(cè)定方法醫(yī)藥化工學(xué)院 應(yīng)用化學(xué)（化妝品方向）10（2）班 阮懷金 1015512260摘要：在沒(méi)有外力的影響或影響不大時(shí)，液體總是趨向于成為球狀，可見(jiàn)液體總是有自動(dòng)收縮而減少表面積，從而降低表面自由能的趨勢(shì)。表面張力是表面活性劑的一項(xiàng)重要性質(zhì)，也是表面活性劑水溶液的重要特性之一。根據(jù)表面張力的大小，可確定表面活性劑的別的表面活性，也可以了解表面活性劑在界（表）面吸附過(guò)程中所起作用的機(jī)理，因此表面張力的測(cè)定很有必要【1】。表面張力無(wú)法直接通過(guò)熱力學(xué)微分關(guān)系式從狀態(tài)方程導(dǎo)出，精確可靠的表面張力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)只能通過(guò)精密測(cè)量得到。關(guān)鍵詞：表面張力；滴重法；毛細(xì)管上升法；最大氣泡壓力法；差分最大氣

2、泡壓力法；Wilhelmy 盤(pán)法；環(huán)法；滴外形法；振蕩射流法；旋滴法；懸滴法一、 測(cè)定方法液體表面張力的測(cè)定方法分靜態(tài)法和動(dòng)態(tài)法。靜態(tài)法【2-3】有毛細(xì)管上升法、DuNouy吊環(huán)法、Wilhelmy盤(pán)法、旋滴法、懸滴法、滴體積法、最大氣泡壓力法；動(dòng)態(tài)法【4-5】有旋滴法、震蕩射流法和懸滴法等。其中毛細(xì)管上升法和最大氣泡壓力法不能用來(lái)測(cè)液-液界面張力。Wilhelmy 盤(pán)法，最大氣泡壓力法，振蕩射流法可以用來(lái)測(cè)定動(dòng)態(tài)表面張力。靜態(tài)法測(cè)定表面張力1、 滴重法【6】1.1、基本原理滴重法也叫做滴體積法，這種反分法比較精確而且簡(jiǎn)便。其基本原理是：自一毛細(xì)管滴頭滴下液體時(shí)，液滴的大小與液體的表面張力有關(guān)

3、，即表面張力越大，滴下的液滴也越大，二者存在關(guān)系式：W=2Rf (1)=W/(2Rf (2)式中，W為液滴的重量；R為毛細(xì)管的滴頭半徑，其值的大小由測(cè)量?jī)x器決定；f為校正系數(shù)。一般實(shí)驗(yàn)室中測(cè)定液滴體積更為方便，因此式（2）又可寫(xiě)為：=(Vg/R)(1/2f) (3)式中，V為液滴體積；為液體的密度；f為校正因子。對(duì)于特定的測(cè)量?jī)x器和被測(cè)液體，R和是固定的，在測(cè)量過(guò)程中，只要測(cè)出數(shù)滴液體的體積, 就可計(jì)算出該液體的表面張力。1.2方法特點(diǎn)【7】此法是一種相對(duì)精確而又可能是最方便的方法之一，它的樣品制備簡(jiǎn)單，溫度時(shí)間間隔長(zhǎng),只用簡(jiǎn)單的溫度控制即可，可用來(lái)測(cè)定氣-液和液-液界面，且樣品的用量少。但存

4、在的缺點(diǎn)是:(1)至今只能算是一種經(jīng)驗(yàn)方法;(2)不能用來(lái)測(cè)定達(dá)到平衡較慢的表面張力,同時(shí)該法也不能達(dá)到完全的平衡;(3)存在準(zhǔn)確測(cè)定液體體積和很好地控制液滴滴落速度等問(wèn)題。2、毛細(xì)管上升法【8】2.1測(cè)定原理將一支毛細(xì)管插入液體中，液體將沿毛細(xì)管上升,升到一定高度后，毛細(xì)管內(nèi)外液體將達(dá)到平衡狀態(tài)，液體就不再上升了。此時(shí),液面對(duì)液體所施加的向上的拉力與液體總向下的力相等。則=12l-gghrcos (1)式中為表面張力；r為毛細(xì)管的半徑；h為毛細(xì)管中液面上升的高度；l為測(cè)量液體的密度;g為氣體的密度(空氣和蒸氣；g為當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?；為液體與管壁的接觸角。若毛細(xì)管管徑很小，而且=0時(shí)，則上式(

5、1)可簡(jiǎn)化為=12ghr (2)2.2優(yōu)點(diǎn)本法是用來(lái)直接測(cè)定液體表面張力的最為準(zhǔn)確的絕對(duì)方法之一，也是應(yīng)用最多的方法之一。由于它不僅理論完整，而且實(shí)驗(yàn)條件可以嚴(yán)格控制，是一種重要的測(cè)定方法。隨著技術(shù)的發(fā)展，毛細(xì)管上升技術(shù)也可以用來(lái)測(cè)定動(dòng)態(tài)表面張力。此方法還曾被用于高溫高壓條件下表面張力的測(cè)定，但溫度一般不超過(guò)100，壓強(qiáng)不超過(guò)13.8MPa。2.3缺點(diǎn)(1)不易選得內(nèi)徑均勻的毛細(xì)管和準(zhǔn)確測(cè)定內(nèi)徑值;(2)液體與管壁的接觸角不易測(cè)量;(3)溶液的純度會(huì)對(duì)表面張力的測(cè)量造成不同程度的影響。(4)需要較多液體才能獲得水平基準(zhǔn)面(一般認(rèn)為直徑在10cm以上液面才能看作平面)，所以基準(zhǔn)液面的確定可能產(chǎn)生

6、誤差。3、最大氣泡壓力法【9】3.1、測(cè)定原理若在密度為的液體中，插入一個(gè)半徑為r的毛細(xì)管，深度為t，經(jīng)毛細(xì)管吹入一極小的氣泡，其半徑恰好與毛細(xì)管半徑相等。此刻氣泡內(nèi)壓力最大。根據(jù)拉普拉斯公式，氣泡最大壓力為：Pm=gt+2r即=12rPm-gt3.2、優(yōu)點(diǎn)此種方法設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，不需要完全濕潤(rùn)，它既是相對(duì)的方法，也是絕對(duì)的方法。可以測(cè)量靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的表面張力，測(cè)量的有效時(shí)間范圍大，溫度范圍寬。3.3、缺點(diǎn)(1)氣泡不斷生成可能會(huì)擾動(dòng)液面平衡，改變液體表面溫度，因此不易控制氣泡形成速度；(2)要求在氣泡逸出瞬間讀取氣泡的最大壓力，因此此值很難測(cè)準(zhǔn)；(3)毛細(xì)管的半徑不易準(zhǔn)確測(cè)定；(4)此法中

7、，最大壓差為大氣壓與系統(tǒng)壓力的差值，因此，當(dāng)室內(nèi)氣流流動(dòng)時(shí)，會(huì)造成大氣壓的變化，使實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定誤差；(5)為了消除溶液靜壓對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響，測(cè)定時(shí)要求測(cè)量的毛細(xì)管插入液體中的深度為0,但要調(diào)整毛細(xì)管尖端與被測(cè)液面相切有一定的難度。4、差分最大氣泡壓力法【10】4.1、測(cè)定原理差分最大氣泡壓力法原理是:兩個(gè)同質(zhì)異徑的毛細(xì)管插入被測(cè)液體中，氣泡從毛細(xì)管中通過(guò)后到達(dá)液體中，測(cè)量?jī)蓚€(gè)毛細(xì)管中氣泡的最大壓力p1和p2,，表面張力是壓差的函數(shù)，計(jì)算公式為：=12p+l-ggr2-r13-12t+gr2-r1l-g1r1-1r224式中p為兩毛細(xì)管的壓差；t為兩管插入液面的高度差。4.2優(yōu)點(diǎn)(1)

8、通過(guò)調(diào)整毛細(xì)管的插入深度來(lái)降低測(cè)量和計(jì)算的復(fù)雜程度；(2)現(xiàn)在的技術(shù)可用來(lái)測(cè)絕對(duì)表面張力也可用來(lái)測(cè)相對(duì)表面張力；(3)通過(guò)選擇合適的毛細(xì)管，大范圍的氣泡生成周期是可以達(dá)到的，從十分之一秒到幾分鐘，而且可用來(lái)測(cè)動(dòng)態(tài)表面張力；(4)此種方法比差分毛細(xì)管上升法有更好的重復(fù)性。5、Wilhelmy盤(pán)法【11】5.1、測(cè)定原理用鉑片、云母片或顯微鏡蓋玻片掛在扭力天平或鏈?zhǔn)教炱缴希瑴y(cè)定當(dāng)片的底邊平行面剛好接觸液面時(shí)的壓力，由此得表面張力，公式為：W總-W片=2lcos式中，W總為薄片與液面拉脫時(shí)的最大拉力;W片為薄片的重力;l為薄片的寬度;薄片與液體的接觸的周長(zhǎng)近似為2l; 為薄片與液體的接觸角。5.2、

9、方法特點(diǎn)它具有完全平衡的特點(diǎn)。這是常用的實(shí)驗(yàn)方法之一，且簡(jiǎn)單，操作方便，不需要密度數(shù)據(jù)，直觀可靠，不僅可用于測(cè)定氣- 液表面張力，也可用于測(cè)定液-液界面張力。精確度可達(dá)到0.11 mNm-1。但存在的缺點(diǎn)是：(1)要求是液體必須很好地濕潤(rùn)薄片，保持接觸角為零；(2)需要標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)校正浮力；(3)測(cè)定容器需要足夠大；(4)不適合高溫高壓和深顏色液體的測(cè)定；(5)清潔程序復(fù)雜；(6)測(cè)定時(shí)穩(wěn)定慢，不適合及時(shí)測(cè)量。6、環(huán)法【12】環(huán)法是把一圓環(huán)平置于液面上，測(cè)量將環(huán)拉離液面所需的最大力，并由此計(jì)算表面張力。因?yàn)楫?dāng)環(huán)向上拉時(shí)，環(huán)上就會(huì)帶起一些液體，當(dāng)提起液體的質(zhì)量與沿環(huán)液體交界處的表面張力相等時(shí)，液體質(zhì)

10、量最大，再提升則液環(huán)斷開(kāi)，環(huán)脫離液面，表面張力的計(jì)算方法為:=P4R12f式中，R為環(huán)的平均半徑；P為由環(huán)法測(cè)定的拉力；f為校正系數(shù)。7、滴外形法【13】對(duì)于表面吸附速率很慢的溶液只能采用滴外形法。所謂的滴外形法就是利用液滴或氣泡的形狀與表面張力存在一定關(guān)系的特點(diǎn)，測(cè)定平衡表面張力及表面張力隨時(shí)間變化的關(guān)系。動(dòng)態(tài)測(cè)定表面張力法1、振蕩射流法【14】毛細(xì)管上升法、最大氣泡壓力法、DuNouy吊環(huán)法、Wilhelmy吊片法、滴重法和滴體積法等是測(cè)定平衡時(shí)的表面張力，即靜態(tài)張力。但是，對(duì)于時(shí)間極短的溶液表面張力的變化，則需用動(dòng)態(tài)法測(cè)量。一般地，測(cè)定液體表面張力的方法稍以改動(dòng)可用于測(cè)量動(dòng)表面張力；但對(duì)

11、于時(shí)間很短的動(dòng)表面張力，可以采用振蕩射流法，該法測(cè)定的時(shí)間范圍可低達(dá)1ms左右。液流在橢圓形管口噴出時(shí)，射流可作周期性振動(dòng)，形成一連串的波形。波形的產(chǎn)生是由于液體表面張力有使液流由橢圓形變?yōu)閳A形的傾向和射流慣性力的相互作用。通過(guò)射流動(dòng)表面張力公式，自射流波長(zhǎng)和射流速度可測(cè)得表面張力與表面老化時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。2、旋滴法【15】旋滴法主要用于測(cè)定超低表面張力。一般將表面張力值在l0mNm10 mNm時(shí)稱為低表面張力，10I3 mNm以下稱為超低表面張力。測(cè)定原理：在樣品管中裝入高密度的液體，再加入少量低密度液體，密閉后，將其置于旋滴儀中使其以 角速度旋轉(zhuǎn)。在離心力、重力及表面張力作用下，低密度液體

12、在高密度液體中形成圓柱形液滴。設(shè)圓柱形長(zhǎng)為Z，半徑為r0，兩液體的密度差為p。當(dāng)圓柱形長(zhǎng)度與直徑的比率大于4時(shí)，表面張力 可由Vonnegut方程求出：=pr043、懸滴法【16】3.1、測(cè)定原理懸滴法是根據(jù)在水平面上自然形成的液滴形狀計(jì)算表面張力。在一定平面上，液滴形狀與液體表面張力和密度有直接關(guān)系。由Laplace公式，描述在任意的一點(diǎn)P曲面內(nèi)外壓差為1R1+1R2=P0+l-ggz式中，R1，R2為液滴的主曲率半徑；z為以液滴頂點(diǎn)O為原點(diǎn),液滴表面上P的垂直坐標(biāo);P0為頂點(diǎn)O處的靜壓力。定義S=ds/de式中de為懸滴的最大直徑;ds為離頂點(diǎn)距離為de處懸滴截面的直徑再定義H=(de/b

13、)2則得:=l-ggdeH除了它對(duì)樣品的濕潤(rùn)性無(wú)嚴(yán)格要求,不受接觸角影響外,還有測(cè)定范圍廣(不僅可測(cè)定液體的靜態(tài),還可測(cè)定液體的動(dòng)態(tài)表面張力)的特點(diǎn)。這是一種液體用量少而且應(yīng)用廣泛的方法,也比較適用于高溫高壓條件下液體表面張力和低表面張力的測(cè)定,可以用來(lái)測(cè)定200和81.7MPa條件下的液體表面張力。3.3、缺點(diǎn)(1)設(shè)備復(fù)雜, 操作麻煩;(2)數(shù)據(jù)處理也復(fù)雜;(3)待測(cè)物質(zhì)的性質(zhì)需要事先準(zhǔn)確知道。二、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(lái)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、Wilhelmy吊片法，否則可以選擇DuNo

14、uy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。張力隨面積的變化(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)境下的絕對(duì)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。參考資料1 /p-536791696861.html2程傳煊表面物理化學(xué)M北京：科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，19953尹東霞，馬沛生，夏淑倩液體表面張力測(cè)定方法的研究進(jìn)展J科技通報(bào)，2007，23(3)：424429，4334李艷紅，王升寶，常麗萍表(界)面張力測(cè)定方法的研究進(jìn)展J日用化學(xué)工業(yè)，2007，37(2)：1