表面张力仪测试原理
⒈ 什么是表面张力
众所周知,我们可以根据分子间的互相吸引力来解释液体的性质.这种分子
间的吸引力就被称之为分子内聚力或称范德华力.而表面张力,界面张力以及相
类似的现象就是用来解释分子内聚力的基本物理现象.
具体来说,构成液体的分子在表面上所受的力与本体内的会不相同.在本体内的分子所受的力是对称的,平衡
的.而在表面上的分子,受本体内分子吸引而无反向的平衡力.这就是说,它受到的是拉入本体内的力.也就是说,力
图将表面积缩小,使这种不平衡的状态趋向平衡状态.热力学的说法是:要将这体系的表面能降至z小,这个力就称
为"表面张力",也说是单位面积上的自由能(J/m2),也就是形成或扩张单位面积的界面所需的z低能量.它的数值
和表面张力(N/m)一致.由于习惯,常用表面张力表示表面自由能,它对液体表面的物理化学现象起着至关重要的作
用.在日常生活中,早晨荷叶上的露珠,杯子中的弧形水面等均为表面张力现象.表面张力液体表面分子
分子内聚力液体本体内分子
γL
θ
γSγSL 固体
液体
γS=γL cosθ+γSL Young equation
γS : 固体表面张力
γSL : 固/液表面张力
γL : 液体表面张力
θ : 接触角
⒈ 白金板法
当感测白金板浸入到被测液体后,白金板周围就会受到表面张力的作用,液
体的表面张力会将白金板尽量地往下拉.当液体表面张力及其他相关的力与平衡力达到均衡时,感测白金板就会停
止向液体内部浸入.这时候,仪器的平衡感应器就会测量浸入深度,并将它转化为液体的表面张力值.具体测试过程
中,白金板法的测试步骤为:(1)将白金板浸入液体内;(2)在浸入状态下,由感应器感测平衡值;(3)将感应到的平衡
值转化为表面张力值,
并显示出来.
表面张力平衡值
1) 感测白金板的表面张力将远大于液体的表面张力,以便于液体有效润湿白金板及在板上爬升;
2) 液体会在白金板周围形成一个角度的弧形液面;
3) 表面的分子力发生作用,并将白金板往下拉.As 湔郐貅 液体样品 液体样品
P = mg + Lγ cosθ - shρg
平衡力 = 白金板的重力 + 表面张力总和 - 白金板受到的浮力
(向上) (向下) (向上)
m : 白金板的重量
g : 重力(9.8N/ Kg)
L : 白金板的周长
γ: 液体的表面张力
θ: 液体与白金板间的接触角
s : 白金板横切面面积
h : 白金板浸入的深度
ρ: 液体的密度
硬件: 当白金板接触到样品液后,样品液的表面张力会将白金板往下拉.传感器通过平衡器感测到这个力,传
到CPU进行处理,.
软件: 传感器感测到的力传到电脑CPU后,CPU通过一系列的计算,将这个力转化成表面张力值..终端打印机
频谱仪样品台探测白金板平衡器传感
显示和输出装置:电脑显示器实时输出表面张力值,可以将数据保存在硬盘中,同时也可连接
打印机,可立即列印出来..
⒈ 白金环法
由于被广泛应用于du Nou表面张力仪,这种方法又称为du Nouy法,并因
之操作简便而被广泛使用.白金环法这个称法是因测试部分与液体样品间会形成
马达
CPU
2r
2R
P
其中
P : 作用于白金环向下的力
2r : 白金环(金属丝)的直径
2R: 白金环的内径 (两个金属丝中心间的距离)
表面张力γ=F
R
P
π4
一个环形而得的.
白金环法的测量方法为:(1)将白金环轻轻地浸入液体内;(2)将白金环
慢
慢地往上提升,即液面相对而言下降,使得白金环下面形成一个液柱,并z终与
白金环分离.白金环法就是去感测一个z高值,而这个z高值形成于白金环与液
体样品将离而未离时.这个z高值转化为表面张力值的精度取决于液体的粘度.
上面等式中的F是一个修正值,它的大小取决于环的直径与液体的性质.
这个修正值很重要,因为向下的力并不一直是垂直的,而且随白金环拉起来的液
体的状况也很复杂.
一般而言,F值通过Zuidema & Waters等式计算得到:
C
R
P
R
b
aF+ =
ρππ4
14
)(
22
2
a : 0.7250
b : 0.09075 m-1s2
c : 0.04534 - 1.679 r/R
r : 白金金属丝的半径
R : 白金环的内径(两个金属丝中心间的距离)
ρ : 液体的密度
⒈ 白金板与白金环法的比较
在相关测量设备研究并生产出来之前,用du Nouy白金环法测量表面张力已经有40
年的历史了.相比较而言,Wilhelmy白金板法只有20年的历史.但是,现在越来越多的人使用白金板法来测量表面张
力.这主要是由于白金环法存在如下各种不足:不易测得高粘度样品的表面张力值; 这主要是由于在白金环内侧上
方受到了样品向下的阻力较大
不易测得随时间变化的表面张力值; 这主要是因为 白金环只能测得环离开液体时那个时间点的表面张力值.较难
保持仪器的精度; 白金环容易变形,它的不同大小会影响到表面张力的测量.
参考数据: (mN/m)
油漆 含表面活性剂的溶液
白金环法35.432.1
白金板法31.328.8
油漆 将粘性物质置于环的上方, 然后进行测量 含表面活性剂的溶液 表面活性剂浓度较低,表面活性剂不停
的分散 |
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