表面动态张力仪简介

表面动态张力仪是用于测量液体表面张力值的专业测量仪器，通过拉脱法、吊片法、静滴法、躺滴法、旋转液滴法、等密度法、Z大气泡压力法和毛细管上升法等等原理，实现精确液体的表面张力值的测量。同时，利用软件技术，可能测得随时间变化而变化的表面张力值。

表面动态张力仪

凡作用于液体表面，使液体表面积缩小的力，称为液体表面张力。它产生的原因是液体跟气体接触的表面存在一个薄层，叫做表面层，表面层里的分子比液体内部稀疏，分子间的距离比液体内部大一些，分子间的相互作用表现为引力。

表面张力是液体的重要性质，在常温液体体系中，用它确定表面活性并计算表面活性剂在溶液表面的吸附量，有助于研究活性剂在界面过程中所起作用的机理，对从事农业科学研究非常重要。研究液体表面张力及现象，将其应用于农业生产实践，如配制农药时加入表面活性剂，降低药液的表面张力，增强药液在植物体表或害虫体表的润湿、展布和附着力。其可以达到提高药效、降低药量、降低成本、减少农药对环境污染的目的。液体表面张力在土壤改良、肥料、植物保护、水利工程研究等方面。

影响液体表面张力的因素：

内因：

无机液体的表面张力比有机液体的表面张力大的多；水的表面张力72.8mN/m(20℃)；

有机液体的表面张力都小于水；含氮、氧等元素的有机液体的表面张力较大；

含F、Si的液体表面张力Z小；

分子量大表面张力大；水溶液如果含有无机盐，表面张力比水大；含有有机物，表面张力比水小。

外因：

温度升高表面张力减小；

压力和表面张力没有关系。

注：液体（0度以上时）表面张力Z弱的是酒精。

表面张力测定方法

1、毛细管上升法测定原理：将一支毛细管插入液体中，液体将沿毛细管上升，升到一定高度后，毛细管内外液体将达到平衡状态，液体就不再上升了。此时，液面对液体所施加的向上的拉力与液体向下的力相等。则表面张力：γ=ρghr/(2cosθ)式中γ为表面张力，r为毛细管的半径，h为毛细管中液面上升的高度，ρ为测量液体的密度，g为当地的重力加速度，θ为液体与管壁的接触角。

2、Wilhelmy盘法用铂片、云母片或显微镜盖玻片挂在扭力天平或链式天平上，测定当片的底边平行面刚好接触液面时的压力，由此得表面张力，公式为：

式中，W总为薄片与液面拉脱时的Z大拉力，W片为薄片的重力，l为薄片的宽度，薄片与液体的接触的周长近似为2l，φ为薄片与液体的接触角

3、悬滴法悬滴法是根据在水平面上自然形成的液滴形状计算表面张力。在一定平面上，液滴形状与液体表面张力和密度有直接关系。由Laplace公式，描述在任意的一点P曲面内外压差为：

式中R1，R2为液滴的主曲率半径;z为以液滴顶点O为原点，液滴表面上P的垂直坐标;P0为顶点

O处的静压力。定义：S=ds/de式中de为悬滴的Z大直径，ds为离顶点距离为de处悬滴截面的直径

式中γ为液滴顶点O处的曲率半径。此式Z早是由Andreas，Hauser和Tucker[15]提出，若相对应与悬滴的S值得到的1/H为已知，即可求出表(界)面张力。应用Bashforth-Adams法，即可算出作为S的函数的1/H值。因为可采用定期摄影或测量ds/de数值随时间的变化，悬滴法可方便地用于测定表(界)面张力。

4、滴体积法当一滴液体从毛细管滴头滴下时，液滴的重力与液滴的表面张力以及滴头的大小有关。Tate首先提出了表示液滴重力(mg)的简单关系式：mg=2πrγ，实验结果表明，实际体积比按式(7)式计算的体积小得多。因此Harkins就引入了校正因子

则更精确的表面张力可以表示为：

其中m为液滴的质量，V为液滴体积，f为校正因子，可查表得到[16，23]。只要测出数滴液体的体积，利用此式就可计算出该液体的表面张力。

5、Z大气泡压力法若在密度为ρ的液体中，插入一个半径为r的毛细管，深度为t，经毛细管吹入一极小的气泡，其半径恰好与毛细管半径相等。此刻，气泡内压力Z大。根据拉普拉斯公式，气泡Z大压力为：

即

6、差分Z大气泡压力法差分Z大气泡压力法Z早是由Sugden于1921年提出来的并提出计算公式，后经过Cuny和Wolf等的不断改进，原理是：两个同质异径的毛细管插入被测液体中，气泡从毛细管中通过后到达液体中，测量两个毛细管中气泡的Z大压力p1和p2，表面张力是压差的函数，计算公式为：

表面动态张力仪测定原理

(1)、表面张力法

表面张力测定法适合于离子表面活性剂和非离子表面活性剂临界胶束浓度的测定，无机离子的存在也不影响测定结果。在表面活性剂浓度较低时，随着浓度的增加，溶液的表面张力急剧下降，当到达临界胶束浓度时，表面张力的下降则很缓慢或停止。以表面张力对表面活性剂浓度的对数作图，曲线转折点相对应的浓度即为CMC。如果在表面活性剂中或溶液中含有少量长链醇、高级胺、脂肪酸等高表面活性的极性有机物时，溶液的表面张力-浓度对数曲线上的转折可能变得不明显，但出现一个Z低值。这也是用以鉴别表面活性剂纯度的方法之一。

(2)、电导法

本法仅适合于表面活性较强的离子表面活性剂CMC的测定，以表面活性剂溶液电导率或摩尔电导率对浓度或浓度的平方根作图，曲线的转折点即CMC。溶液中若含有无机离子时，方法的灵敏度大大下降。

(3)、光散射法

光线通过表面活性剂溶液时，如果溶液中有胶束粒子存在，则一部分光线将被胶束粒子所散射，因此测定散射光强度即浊度可反映溶液中表面活性剂胶束形成。以溶液浊度对表面活性剂浓度作图，在到达CMC时，浊度将急剧上升，因此曲线转折点即为CMC。利用光散射法还可测定胶束大小(水合直径)，推测其缔合数等。但测定时应注意环境的洁净，避免灰尘的污染。

(4)、染料法

一些有机染料在被胶团增溶时。其吸收光谱与未增溶时发生明显改变，例如频那氰醇溶液为紫红色，被表面活性剂增溶后成为蓝色。所以只要在大于CMC的表面活性剂溶液中加入少量染料，然后定量加水稀释至颜色改变即可判定CMC值。采用滴定终点观察法或分光光度法均可完成测定。对于阴离子表面活性剂，常用的染料有频那氰醇、碱性蕊香红G；阳离子表面活性剂可用曙红或荧光黄；非离子表面活性剂可用频那氰醇、四碘荧光素、碘、苯并紫红4B等。采用染料法测定CMC可因染料的加入影响测定的精确性，尤其对CMC较小的表面活性剂的影响更大，另外，当表面活性剂中含有无机盐及醇时，测定结果也不甚准确。

目前还有许多现代仪器方法测定CMC，如荧光光度法、核磁共振法、导数光谱法等。

吊环法表面动态张力仪测量原理

吊环法是1863年由Wilhelmy首先提出的，后来，Dognon和Abribat将其改进，测定当打毛的铂片、玻片或滤纸片的底边平行界面并刚好接触(未脱离)界面时的拉力。要满足吊片恰好与液面接触，既可采用脱离法，测定吊板脱离液面所需与表面张力相抗衡的Z大拉力，也可将液面缓慢地上升至刚好与天平悬挂已知重量的吊板接触，然后测定其增量，再求得表面张力的值。

吊环法表面动态张力仪的基本原理是将浸在液面上的金属环(铂丝制成)脱离液面，其所需的Z大拉力，等于吊环自身重量加上表面张力与被脱离液面周长的乘积。Timberg和Sondhauss首先使用此法，但DuNouydiyi次应用扭力天平来测定此Z大拉力。Harkins和Jordan引进了校正因子，可以用来测定纯液体表面张力，测定时必须注意其表面张力有时间效应。此外，将吊环拉离液面时要特别小心，以免液面发生扰动。

如图所示，将一洁净的圆形吊环浸入液体中，然后缓慢地提起吊环，圆形吊环将带起一层液膜。液面收缩的表面张力f沿液面的切线方向，角φ称为湿润角(或接触角)。当继续提起圆形吊环时，φ角逐渐变小而接近为零，这时所拉出的液膜的里、外两个表面的张力f均垂直向下，设拉起液膜破裂时的拉力为F，则有：

表面张力系数α与液体的种类、纯度、温度和它上方的气体成分有关。实验表明，液体的温度越高，α值越小;所含杂质越多，α值也越小。只要上述这些条件保持一定，α值就是一个常数。因此核心部分是准确测定F-m0g，即圆形吊环所受到向下的表面张力，因此测出表面张力就可以的液体的表面张力系数。

液体表面动态张力仪的组成

表面动态张力仪由传感器、信号调理器、A/D转换器、微控制器、总线收发器和微型计算机等组成，其系统框图如图所示。

液体表面动态张力仪系统组成

吊环法表面动态张力仪存在的问题

1吊环的水平调节困难

吊环在实验操作过程中必须为水平，否则会引起一'定的系统误差。如果偏差测量结果将引入偏差为0.5X，偏差2。测量结果将引入偏差为1.6知8]。吊环的水平调节是通过与吊环相连的三根金属吊丝，并用眼睛观察环的下沿距水平面的距离是否均匀一致。这样的操作既不科学也不准确，很容易引起系统误差。提出的解决方案是：在吊环之上再加一个砝码盘，使吊环与砝码盘合二为一；调水平时在砝码盘上放置一个水平仪，根据水平仪调节三根悬线的长短来保证吊环的水平。这种设计存在两个问题：

1〕吊环的水平调节是通过调节吊环之上的砝码盘来间接实现的，所以要保证吊环的水平就必须保证砝码盘的底面始终与吊环的地面平行。这种设计在理论上很容易解释，但是在工艺制作上却有一定的困难，很难保证两环的严格平行，而且也不便于日常的维修与管理。

2〕由于液体表面张力都很小，所以要求吊环的质量都要尽量的轻。如果在吊环之上再加一个砝码盘，在原材料不变的情况下很难控制总体质量与原先的吊环质量差不多。

2受力大小范围差异

传感器定标受力大小范围和测量拉脱液膜时的受力大小范围不一致。定标是在电压大于零的区域内进行的，得到的&值是力敏传感器在大于零的区域内的灵敏度。而测量表面张力是力敏传感器上悬挂的吊环，其质量比砝码盘小很多，从而使得实验过程中数字电压表的测量值为负。

3升降台调节的稳定性问题

吊环的拉脱通过丝杆螺母的转动让盛装液体的玻璃器皿升降来完成。实验中在调节升降螺母使载物台下降时，很容易造成仪器的晃动，导致吊环震动、摆动等。微小的振动都可能造成液膜过早地被拉断，也会使力敏传感器挂钩受力不稳定、不竖直，数字电压表显示不稳定，造成实验误差。

-------------------------------------------------

液体动态表面张力仪（SensaDyne Surface Tension Meters）

动态表面张力仪QC6000

一般特点：

1)符合ASTM D3825-90标准；

2)该仪器是中等范围的张力仪，带有独立的泡沫流动速度控制器，拥有QC3000的基本特点，可更精确地测试更广泛的样品；