什么是动态表面张力测量?

表面张力是液体表面任意两相邻部分之间垂直于它们的单位长度分界线相互作用的拉力。而动态表面张力是没有明确释义的非专有名词。各个行业对动态表面张力的理解和需求都有不同，有的是表面张力随时间的变化、有的是表面张力随气泡压力的变化、有的是表面张力随浓度的变化等等。比如石油行业大多采用以下第2种，偶尔采用以下第1种：

1、动态表面张力可以理解为随时间变化的表面张力，比如白金板法测表面张力或白金环法测表面张力的测量曲线的横轴都是时间。

2、动态表面张力可以理解为液体-空气或液体-液体在6000转/分钟~10000转/分钟高速旋转下的表界面张力，比如旋转滴法测超低界面张力。

3、动态表面张力可以理解为液体从平针头缓慢挤出、形成液滴至滴落的过程，其中将落未落状态也就是悬滴法测表面张力。

4、动态表面张力可以理解为在液体中从1个泡/秒到20个泡/秒、打出气泡的速度不断加速，液体表面张力的变化，也就是气泡压力法测表面张力，曲线横轴是每秒打出的气泡数量。

5、动态表面张力可以理解为不同的表面活性剂迁移到新的界面需要的时间不同，在表面活性剂的迁移过程中，表面张力是在不断变化。例如喷墨打印机的打印头喷墨到纸张上只需要十几毫秒(或更短时间)，汽车漆喷涂到工件上或乳胶漆滚涂到墙面上可能需要几十到几千毫秒。

6、动态表面张力可以理解为自动测定一系列不同浓度表面活性剂溶液的表面张力，同时记录γ-c（浓度）曲线，通过拟合曲线，自动判别拐点并计算出此体系中表面活性剂的临界胶束浓度CMC。用表面张力与浓度的对数作图，在表面吸附达到饱和时，曲线出现转折点，该点的浓度即为CMC。表面活性剂水溶液的表面张力开始时随溶液浓度增加而急剧下降，到达一定浓度（即CMC）后则变化缓慢或不再变化。因此常用表面张力-浓度对数图确定CMC。表面活性剂分子在溶剂中缔合形成胶束的Z低浓度即为临界胶束浓度，曲线横轴是浓度。

（来源：上海中晨数字技术设备有限公司）

接触角测量仪采用悬滴法进行动态表面张力测量尤其适合研究表面活性剂体系：不但可以考察表面活性剂的扩散速度，而且可以通过 “surface life/age scanning 液滴寿命” 测量模式完整地测绘出所考察体系的 “表面张力γ - 表面活性剂浓度c - 界面时间/寿命t” 三维拓扑关系图，γ(c,t)，从而进一步确定体系临界胶束浓度CMC随界面寿命的时间依赖关系，CCMC(t)。

悬滴法测量动态表面张力有二大特点：

特点一 悬滴法所适用的动态测量时间范围广：从表/界面形成后的约0.1秒（甚至可低到几十微秒）起，对表/界面进行时间依赖性的动态测量，测量可持续至几分钟，几小时，几天...。虽然在测量短界面寿命极限方面，ZD气泡压力法可以测量到更短的界面寿命（约几毫秒）；但在长时间端，ZD气泡压力法只能测量到约几十到100秒。其它的传统方法要么根本不适合于动态测量（如吊环法），要么能够测量的起始时间迟至几秒到十几秒左右（如液滴体积法，薄板法）。另外传统的吊环法和薄板法由于表面活性剂分子容易吸附在其探针表面从而改变其表面的润湿特性，可能对测量结果造成较大的干扰。

特点二 在于此方法可以通过对一个液滴从其 “诞生” 时刻起进行持续地测量，一直到预期的或希望的测量时间点为止（surface life/age scanning）。这不但保证了所有的测量数据来自于同一液滴界面，而且测量的时间间隔也可以几乎随意地短或长（最短时间间隔只受相机的速度决定，比如1-10ms），大大地提高了获得的动态曲线 γ(t)的连续性（时间分辨率）和可靠性，而且也使得测量所需时间大幅度地减小。比如测量一条从界面形成开始（0时间），持续到100s（界面寿命）的动态曲线，如果采用传统的滴体积法或ZD气泡压力法，就需要预先选择/指定几个测量时间点（比如20个不同的时间点），然后对于每个时间点，通过调节相应的测量参数（如加液或气流量速率）逐点进行测量，直到所有的时间点测量完毕。这样的一个测量过程往往需要一个甚至几个小时，得到的曲线也只能从20个不同的时间点插值而成，而且不同点的表面张力值均来自不同的液滴或气泡界面（不但表面张力值会发生漂移，而且时间计时上也会有偏差/bias）。同样的测量如果采用悬滴法来进行，整个测量过程只需要100s，在这段时间内采集的对应于不同时间点的测量点数可以高达成千上万，而且所有的表面张力值均来自同一个液滴，完全避免了表面张力值和时间计时上的偏差/bias问题。

动态速度录像模式，结合高精度自动注射泵，高速度相机，和全自动录像分析计算功能以及全轮廓悬滴分析法，以上这些条件是接触角测量仪悬滴法测量动表面张力必不可少的条件。

       LAUDA Scientific光学接触角测量仪采用悬滴法测量液体动态表面（界面）张力的优势如下：

       悬滴法测量动态表面张力的一大特点是悬滴法适用于非常宽广的动态测量时间范围：从表/界面形成后的约0.1秒（甚至可低到几十微秒）起，对表/界面进行时间依赖性的动态测量，测量可持续至几分钟，几小时，几天，...。虽然在测量短界面寿命极限方面，ZD气泡压力法可以测量到更短的界面寿命（约几毫秒）；但在长时间端，ZD气泡压力法只能测量到约几十到100秒。其它的传统方法要么根本不适合于动态测量（如吊环法），要么能够测量的起始时间迟至几秒到十几秒左右（如液滴体积法，薄板法）。另外传统的吊环法和薄板法由于表面活性剂分子容易吸附在其探针表面从而改变其表面的润湿特性，可能对测量结果造成较大的干扰。

       悬滴法测量动态表面张力的另一大特点在于此方法可以通过对一个液滴从其 “诞生” 时刻起进行持续地测量，一直到预期的或希望的测量时间点为止（surface life/age scanning）。这不但保证了所有的测量数据来自于同一液滴界面，而且测量的时间间隔也可以几乎随意地短或长（最短时间间隔只受相机的速度决定，比如1-10ms），大大地提高了获得的动态曲线 γ(t)的连续性（时间分辨率）和可靠性，而且也使得测量所需时间大幅度地减小。比如测量一条从界面形成开始（0时间），持续到100s（界面寿命）的动态曲线，如果采用传统的滴体积法或ZD气泡压力法，就需要预先选择/指定几个测量时间点（比如20个不同的时间点），然后对于每个时间点，通过调节相应的测量参数（如加液或气流量速率）逐点进行测量，直到所有的时间点测量完毕。这样的一个测量过程往往需要一个甚至几个小时，得到的曲线也只能从20个不同的时间点插值而成，而且不同点的表面张力值均来自不同的液滴或气泡界面（不但表面张力值会发生漂移，而且时间计时上也会有偏差/bias）。同样的测量如果采用悬滴法来进行，整个测量过程只需要100s，在这段时间内采集的对应于不同时间点的测量点数可以高达成千上万，而且所有的表面张力值均来自同一个液滴，完全避免了表面张力值和时间计时上的偏差/bias问题。

       表面张力值反映的是分子从一液体的体相转移到表面层后，其（相较于处在体相时）所拥有的额外能量。这一额外能量与表面层的当前状态紧密相关，后者包括分子的组成/分布/排列/取向等。当一新的表面从开始形成到到达一相对平衡的稳定状态需要一定的时间，对于单组分的液体，涉及的往往只是表面层分子的分布、排列和取向，而这个过程一般可以在瞬间内完成。但是对于多组分的液体（如溶液/含有表面活性剂的溶液），体相中的不同组分首先需要通过扩散到达表面层以下的过渡区域，然后再通过表面吸附过程进入表面层。在表面层，不同组分的分子还需要经历分布/排列/取向等过程，以ZZ到达相对稳定的平衡状态。取决于液体所含的组分的属性（分子量/化学结构/构型/溶液粘度等），这一整个过程可以在几毫秒内完成，也可以持续几秒、几分、几小时、甚至几天。所以表面层的状态是一时间函数，反映这一状态的表面张力一般都表现出随时间而变化的动态特性，这一时间依赖性也被称为动态表面张力（dynamic surface tension）。通过对一体系动态表面张力的测量，可以获得与分子扩散、分子在表面层的分布/排列/取向等动态过程有关的速度/时间参数。

       在几乎所有的表面/界面张力测量方法中，悬滴法是最适合用于测量动态表面/界面张力的方法之一，也是能够测量的时间范围最广的方法。其支持的最短表面/界面寿命约从0.03-0.1s开始，最长时间则不受限制。

       在所有的已商业化方法中，目前只有ZD气泡压力法可以测量表面/界面形成时间点更早的值，约从0.01s开始，但其能够测量的最长时间只有100s左右。而且测量一条表面张力-时间曲线所需要的时间比悬滴法长的多，在测量精度上也比不上悬滴法。另外这一方法也不适合用于动态界面张力的测量。