動、靜表面張力及其測定方法

1、動、靜表面張力及其測定方法表而張力是表而的重要性質(zhì)。春液體的表而張力可以很快達(dá)到平衡，此時(shí)的表而質(zhì)量 為靜表而張力;而表而活性劑溶液的表而張力隨溫度、主體相壓力、表面活性劑的表而濃度、 表面運(yùn)動狀態(tài)變化而變化，表現(xiàn)為動態(tài)表面張力。測定靜表面張力的方法：1、毛細(xì)管升高法當(dāng)液體完全濕潤管壁時(shí)，液-氣界面與固體表面的夾角（接觸角）為零，則接界處的液體 表而與管壁平行而且相切，整個(gè)液而呈凹態(tài)形狀。如果毛細(xì)管的橫截而為圓形，則半徑越小, 彎月而越近似于半球形。若液體完全不濕潤毛細(xì)管，此時(shí)的液體呈凸液而而發(fā)生毛細(xì)下降, 通常情況下液體與圓柱形毛細(xì)管間的接觸角H介于0b-180b，即液體對毛細(xì)管的濕潤程度

2、處于完全濕潤與完全不濕潤之間。V 式中C為表而張力，v Q是液相與氣相的密度差，g是重力加速度，h為液面上升高度，r 為毛細(xì)管半徑，H是固-液接觸角。只要測得液柱上升（或下降）高度和固-液接觸角，就可以 確定液體的表面張力。應(yīng)用此法測邇液體表面張力，要求固-液而接觸角H最好為零。當(dāng)精確測量時(shí),需要對 毛細(xì)管內(nèi)液面上升髙度h進(jìn)行校正。當(dāng)液面位置很難測準(zhǔn)時(shí)，可通過測量兩根毛細(xì)管的髙度 差計(jì)算表而張力，其計(jì)算公式為：hl、h2分別為兩毛細(xì)管液而上升高度,n. r2分別為兩毛細(xì)管半徑2、吊片法3. DuNouy吊環(huán)法和Wihelmy吊片法吊環(huán)法的基本原理是，將浸在液面上的金屬環(huán)（鉗線制成）脫離液而，其

3、所需的最大拉 力，等于吊環(huán)自身重量加上表而張力與被脫離液而周長的乘積。T i mber g和Sondhauss 首先使用此法，但DuNouy第一次應(yīng)用扭力天平來測左此最大拉力 Hark ins和Jordan引進(jìn) 了校正因子，可以用來測左純液體表而張力，測立時(shí)必須注意其表而張力有時(shí)間效應(yīng)。此外, 將吊環(huán)拉離液面時(shí)要特別小心，以免液而發(fā)生擾動。吊片法是測左當(dāng)打毛的鉗片、玻片或?yàn)V紙片的底邊平行界而并剛好接觸（未脫離）界而 時(shí)的拉力。要滿足吊片恰好與液面接觸，既可采用脫離法，測立吊板脫離液而所需與表而張力相抗衡的最大拉力,也可將液面緩慢地上升至剛好與天平懸掛已知重量的吊板接觸，然后測左其增量，再 求得

4、表而張力的值。從測左原理看，吊環(huán)法和吊片法都是通過測量力來測量表面張力，對潤濕性要求較 髙。吊片法操作簡單，不需校正，精度髙。缺點(diǎn)是樣品用量大，升溫速度慢，不能用于多種氣 氛的表而張力測左以及高壓表而張力的測定。對于非離子及陰離子表而活性劑，可以采取吊 環(huán)法和吊片法;對于陽離子表而活性劑水溶液，由于容易吸附于固體表而，使表而變得疏水 而不易被水溶液潤濕，實(shí)驗(yàn)誤差較大，可以采用與接觸角無關(guān)的測龍方法,如滴體積法。該法是測定當(dāng)片的底邊平行液而并剛好接觸液而時(shí)所受到的拉力，具有完全平衡的性 質(zhì)。正因?yàn)榈跗ň哂型耆胶庑?，因此?shí)驗(yàn)簡便，無需麻煩的汁算且不需密度數(shù)據(jù)，使靜 表面張力測泄最常用的方法之一

5、。3、最大氣泡壓力法處液休農(nóng)血的分子，由J受到不半術(shù)的力的作用啲具冇衣面張力。它的定義是在 表面上垂直作用于單位氏度上使表面枳收縮的力，它的單位是mN -nr1.農(nóng)血張力的測定方法很參，木炙驗(yàn)采出最大氣泡壓力法.圖1定最大氣泡壓力法測農(nóng) 面張力的裝置示總圖.將毛細(xì)管的端而與液面相切，液而即沿毛細(xì)管卜升打開抽氣瓶的 活塞，止水緩慢地淌下，使毛細(xì)行內(nèi)溶液受到的壓力比樣品行中液血上來得大.當(dāng)此壓力 差在毛細(xì)管端血匕產(chǎn)生的作用力稍人于毛細(xì)管口液體的表血張力時(shí),毛細(xì)管【啲氣泡即被 壓出，壓差的最大值可以從數(shù)字壓力計(jì)上瀆出。氣泡從毛細(xì)背口壓出時(shí)受到的壓力為 P, P-puA h 18. 5式中：Ah壓力計(jì)

6、兩臂的謖值差；g蟲力加速度： P 斥力計(jì)內(nèi)液體的密度,同時(shí)根據(jù)附加壓力計(jì)算公式AP=乎18.6O r衣面張力； 一毛細(xì)管半徑，所以手=pgAJi疫現(xiàn)得b = 2 pg?h = k/hT7o對卩同支毛細(xì)管來說，式中K值為常數(shù),稱為毛細(xì)管常數(shù).因此只耍用表血張力 已知的液體為標(biāo)準(zhǔn).1!|冋求斜H它液體的農(nóng)血悵力.(木實(shí)驗(yàn)是用20Co *-72. 75X 10 ；!N/m)此法是使與溶液不起反應(yīng)的氣體慢慢通過插入液而的毛細(xì)管口出泡時(shí)的最大壓力，并 由此推算液體的表而張力。此法設(shè)備簡單，操作方便，但氣泡不斷生成可能擾動液而平衡， 改變液體表面溫度，因而要控制氣泡形成速度。因?yàn)闅馀莶⒎菧?zhǔn)確的球形，相應(yīng)地

7、也需要校 正。4. 滴重法和滴體積法苴基本原理是將待測液體在恒溫條件下通過管尖，緩慢地形成液滴落入容器內(nèi)，待收集 至足夠數(shù)量的液體時(shí)稱量,根據(jù)總滴數(shù)算出每滴液滴的平均重(mg),就可按泰特(Tate)定 律求岀表而張力C:mg 二 2PRC(4)公式4說明表面張力所能拉住液體的最大重量等于管尖周長和液體表而張力的乘枳。 式中R是液滴頂部半徑，如果待測的液體不能潤濕潤管尖材料，只取內(nèi)徑r，反之取外徑。事實(shí)上，液滴落下前所形成的細(xì)長液柱在力學(xué)上是不穩(wěn)左的，即液滴上半部分半徑縮 小，下半部分半徑擴(kuò)大，最后形成液滴落下時(shí)，只有下半部分的液體真正落入容器內(nèi)，而上半 部分的液滴仍與管尖相連，并成為下一個(gè)液

8、滴的一部分。這是由于表而張力作用下的近管口 液體受到其液滴重力作用，過早地拉伸而斷裂所致。因此，所得液滴的實(shí)際重量要比汁算值小 得多。須上述偏差作了修正。滴重法和滴體積法的測量設(shè)備簡單，準(zhǔn)確度較髙，量手段直接，樣品用量少，易于恒溫， 能夠用于一般液體或溶液的表而張力的測左，即使液體對滴頭不能完全潤濕、有一定的接 觸角(不大于90b)時(shí)也能適用。該法基本原理為從液而形狀確定其形狀因子的數(shù)值，在推算出液體的表面張力。此法 可用于遠(yuǎn)距離操作，便于在特殊條件下，如髙溫、高壓、特殊化學(xué)環(huán)境等測左表而張力，并 且可以任意長的平衡時(shí)間，可用于粘性液體表而張力的測定。5、懸滴法懸滴法實(shí)質(zhì)上是滴外形法的一種。滴

9、外形法是根據(jù)液滴的外形來測立表面張力和接觸角的方法，既有懸滴法又有躺滴法，苴原理是根據(jù)La2place關(guān)于毛細(xì)現(xiàn)象的方程:v P = C( 1 /Rl + 1 /R2 )(6)英中C為表而張力，R1和R2表示曲面半徑,v P為界而上的壓力差。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，圖像處理技術(shù)在許多領(lǐng)域中發(fā)揮著巨大的作用，Pu等用軸稱滴 形分析技術(shù)，通過復(fù)雜的Newton- Raphson計(jì)算與遞增迭代法結(jié)合將其發(fā)展為軸稱滴形輪 娜法，得到廣泛的應(yīng)用。6x旋滴法主要用于測雄超低表而張力。一般將表面張力值在10- lmN /m 10-3mN /m時(shí)稱為低 表而張力，10-3mN/m以下稱為超低表而張力。測左原理:在

10、樣品管中裝入髙密度的液體，再加入少雖:低密度液體，密閉后，將其置于 旋滴儀中使其以X角速度旋轉(zhuǎn)。在離心力、重力及表面張力作用下,低密度液體在髙密度 液體中形成圓柱形液滴。設(shè)圓柱形長為1 ,半徑為r0,兩液體的密度差為vQ。當(dāng)圓柱形 長度與直徑的比率大于4時(shí)，表而張力C可S V erin 1.11方程求岀：該法是通過測龍懸掛著的液體的外形參數(shù)，應(yīng)用Bashforth-Adams方程推算出表面張 力的。此法免除了對接觸角的要求，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。但此法對防箴要求很髙，否則難以得 到正確的懸滴外形曲線。6、脫環(huán)法此法測量將水平地接觸液而的圓環(huán)拉離液而過程中所施最大力，并由此力來推算液體 的表而張力。通

11、常以扭力天平來測量此力。脫環(huán)法操作簡便，但理論復(fù)雜，并因應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的 校正數(shù)而使方法帶有經(jīng)驗(yàn)性。所得結(jié)果受多種不易控制的因素影響。測定動表面張力的方法:從圖屮可看出與達(dá)到平衡時(shí).從外半徑為r的毛細(xì)管滴下的液體曲腳也等于毛細(xì)管周 邊乘以表面張力，即：ng=2no r(5)式屮m為液滴質(zhì):甌廠為毛細(xì)管外半徑：c為表面張力；百為匝力加速度.事實(shí)上，滴下來的僅僅足液滴的 部分。因此 式中給出的液滴足理想液滴。經(jīng)實(shí) 驗(yàn)證明.滴卜來的液滴大小是衛(wèi)的顋數(shù).即由f W/F)所決定(英中v是液涌體枳).(5) 式變?yōu)?mg=2no v f v/iJ)(6)O =ng/ (2nO f (.v/v ) ) =Fng/

12、 r(7)氏中的F足校正因了。如果測得滴下液滿體積及毛細(xì)管外徑.就可從農(nóng)中査出校正因了 卜的數(shù)值按圖裝好儀器，把待測液體充滿毛細(xì)管，并調(diào)節(jié)液位使液滴按-定時(shí)間何隔滴下。在保 證液滴不受雇動的條件下用稱屜瓶搜集25-30滴稱巫(對揮發(fā)性液體最好把滴下的液休加1 以冷卻)。用顯微鏡測童毛細(xì)管的外徑。從液滴亟雖及液體密度計(jì)算滴下液滴體積。然后求v/r1數(shù)值，從表中倉出校正因子F數(shù) 值。根據(jù)式求出表面張力。如下圖所示，毛細(xì)管端口有一個(gè)液滴逐漸長大，即將落下時(shí)，其所受重力應(yīng)與表而張力 相等。設(shè)毛細(xì)管外徑為2R,則有：mg = 2”斤丫。式中m為液滴質(zhì)量。由于液滴實(shí)際上不會 全部落下，實(shí)測的m值偏小。為此，引入校正系數(shù)Fd： Y= (mgFd) /Re實(shí)際測量時(shí)， 不需確定毛細(xì)管管端半徑，而采用已知表而張力的標(biāo)準(zhǔn)液體進(jìn)行校正：Y1/Y2二(mFd/mFd)。 又因?yàn)镕d數(shù)值一般變化不大，因此rl/ r2=m/m這樣，通過測量液滴質(zhì)量就可得到表面張力。2