表面化學-表面張力測試(一)

2021-01-14 一顆耿直的螺絲

開始這一篇我思索了很久。這是一篇比較難寫且不好開頭的文章。第一是定義不好講明白。第二是由測試的方法引申出其他的測試內容。比如光學法的懸滴法是不是也要順道講一下震蕩滴。由於涉及黏度，彈性模量是不是也要講點流體力學，再順便講點毛細管流變或者旋轉流變？再如力學法是不是要講CMC（臨界膠束濃度）和動態表面張力。頓感壓力。然而是什麼讓我有寫下去的勇氣呢？

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其實幹這一行，說到底還是窮。。

 

在接觸角測試那兩篇中實際上都有提及到表面張力σ。那麼對於液體的表面張力又是什麼呢？

 

我們從一個現象描述起吧。廚房的洗碗盆裡水上飄著寫油膜，這時候往水面滴下一滴立白洗潔精，油膜迅速往遠離洗潔精的地方跑。這個現象實際上是由於洗潔精減小油膜處水的表面張力，但是外圍的水的表面張力並沒有變化，力大的拖動了力小的。（如果立白洗潔精的推廣人員路過，下面的讚賞麻煩點一下。謝謝。）


表面張力的定義


1.  液體為達到最小表面積趨勢的能力。

2.  液體沿線單位長度所受平行於表面的力。單位是毫牛每米（mN/m）。

 

對於定義1，我們通常理解的重點是最小表面積和達到趨勢的能力。我們知道一個已知體積的液體它最小表面積是一個球形。這時候懸掛一滴液體，該液體在重力影響下形成一個「梨形」，此時通過計算液滴內外壓強差，最終可算得表面張力。

 

Tip：對於一些好奇（gang）心（jing）的同學會問為什麼最小表面積會是球形。我只能給出完整證明過程的文檔好（dui）滿（hui）足（qu）這些同學。詳見：http://www.math.utah.edu/~treiberg/isoperim/isop.pdf

 

對於定義2，我們只需知道一個工具（充分）潤溼周長，再測得力就可以得出表面張力了。

再貼一遍公式：σ=F/(L*cosθ)

 

根據定義，有兩種方法實現：光學懸滴法對應定義1，力學法對應定義2。（此處是為了好說明和區分兩種測試方式，實際上歸根到底兩個定義本質是描述同一個東西。可能會產生一些誤解，所以請慎重引用這種說法。）

 

光學懸滴法

 

我們先說光學法，光學法用的設備和接觸角的光學法用的設備是一樣的。詳見：表面化學-接觸角測試(一)。

實驗步驟：懸掛液體一滴，拍得一個圖像，然後來分析這個圖像，得到表面張力，如下圖：


當然我們對於該測試方法，依據一些文獻，提出測試的條件要求：

1.  液滴當前溫度的密度。如測試界面張力，則需要兩個不相溶液體的密度差。

2.  當地加速度g。可查表，表可見本文末尾。

3. 液滴形狀呈「梨形」。這時候要求液滴出口1.5mm以上，同時黏度在100Pa·s以下。

4. 像素對應長度。就是圖像中一個像素對應現實中的長度。這是計算液滴大小的重要數據。通常的辦法是拿遊標卡尺或已標定長度的物體進行標定（Calibrate）。

5. 懸掛液滴儘量保持靜止，不可晃動過大。

6. 對於計算機圖形分析，輪廓線應包裹住液體外輪廓。

7. 光亮度適中。

8. 環境少塵。

 

Tip1：在測試中，液滴在什麼樣的情況下最佳？在大多數情況下，我都告訴客戶形狀應該是快滴下但還能維持住的形狀測得數值最好。實際上在大多數情況下，液滴並不需要到達這個欲滴未滴的狀態就可以被計算出準確且穩定的結果。換句話說，液滴的形態是一個範圍。在一些軟體中或者相應的文獻中都會引入一個形態參數，這個參數在分析的時候最好能夠被顯示出來，以幫助用戶來判斷是否已達到可以測試的液滴量。當然，在震蕩（弛豫）滴的測試中並不能一直能達到這一要求。

Tip2：當測試界面張力時，兩種液體密度差值越小，液滴應該越大。

Tip3：在實際測試中，光亮度過高會「侵蝕」液滴的邊沿，即看到的液滴比實際的小！從而導致在圖像分析上得出錯誤的結果，這一點無論對光學接觸角還是懸滴法都是同樣的影響。

Tip4：該方法可以在高溫高壓環境中使用。

 

 力學法· Du Noüy 環法（靜態表面張力）

Du Noüy 環法是已經寫入標準的實驗方法了。測試原理如下圖：


我們知道環法測試的時候需要獲得環快拉脫液面前最大的力，與潤溼周長相除計算得表面張力。然而因為環法會拉起一些液體的重量，並且環內外側並不是同時達到最大力值。所以環法有修正算法。通常會有兩種修正算法：一種是Harkin & Jordan，該方法精度高然而適用範圍僅限0-250mN/m,另外一種是Huh & mason 精度略差但勝在適用範圍廣。

 

力學法·Wilhelmy板法（靜態表面張力）


板法測試原理：

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其實在表面化學-接觸角測試（二）已經介紹過了。在這個方法裡，測試的鉑金板表面經過粗糙處理被認為液體在板上的接觸角為0，且潤溼周長也被標定。因此對於該方法通常是不存在修正算法的。然而真實情況真的是這樣的嗎？至少接觸角真的都是為0嗎？

 

以上兩個力學法基本遵循同樣測試要點：

1.  環/板使用前和使用後都要用相應溶劑衝洗後，再使用酒精燈灼燒至發紅。

2.   環/板懸掛應儘量水平。

3.   環/板儘量距離樣品杯壁10mm以上。

4.   測試時儘量保持周圍環境安靜無振動，無空氣對流。

5.   標準環無明顯變形。

6.   知道測試液體密度。

 

Tip：當使用以上方式測試油水界面張力時，表面張力值會逐漸下降，這是一個正常現象。提拉環或者板會使油水在界面處乳化，此時張力也會發生變化。

Tip：以上方法測量界面張力，扣除環/板的浮力影響可以提高測量精度。

 

再貼一次緯度-重力加速度表： 

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這一篇裡討論的是靜態表面張力的測試，筆者在下一篇會介紹臨界膠束濃度（CMC）和動態表面張力測試，敬請期待。

 

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