1、表面張力的測定方法醫(yī)藥化工學(xué)院 應(yīng)用化學(xué)（化妝品方向）10（2）班 阮懷金 1015512260摘要：在沒有外力的影響或影響不大時，液體總是趨向于成為球狀，可見液體總是有自動收縮而減少表面積，從而降低表面自由能的趨勢。表面張力是表面活性劑的一項重要性質(zhì)，也是表面活性劑水溶液的重要特性之一。根據(jù)表面張力的大小，可確定表面活性劑的別的表面活性，也可以了解表面活性劑在界（表）面吸附過程中所起作用的機理，因此表面張力的測定很有必要【1】。表面張力無法直接通過熱力學(xué)微分關(guān)系式從狀態(tài)方程導(dǎo)出，精確可靠的表面張力實驗數(shù)據(jù)只能通過精密測量得到。關(guān)鍵詞：表面張力；滴重法；毛細管上升法；最大氣泡壓力法；差分最大氣

2、泡壓力法；Wilhelmy 盤法；環(huán)法；滴外形法；振蕩射流法；旋滴法；懸滴法一、 測定方法液體表面張力的測定方法分靜態(tài)法和動態(tài)法。靜態(tài)法【2-3】有毛細管上升法、DuNouy吊環(huán)法、Wilhelmy盤法、旋滴法、懸滴法、滴體積法、最大氣泡壓力法；動態(tài)法【4-5】有旋滴法、震蕩射流法和懸滴法等。其中毛細管上升法和最大氣泡壓力法不能用來測液-液界面張力。Wilhelmy 盤法，最大氣泡壓力法，振蕩射流法可以用來測定動態(tài)表面張力。靜態(tài)法測定表面張力1、 滴重法【6】1.1、基本原理滴重法也叫做滴體積法，這種反分法比較精確而且簡便。其基本原理是：自一毛細管滴頭滴下液體時，液滴的大小與液體的表面張力有關(guān)

3、，即表面張力越大，滴下的液滴也越大，二者存在關(guān)系式：W=2Rf (1)=W/(2Rf (2)式中，W為液滴的重量；R為毛細管的滴頭半徑，其值的大小由測量儀器決定；f為校正系數(shù)。一般實驗室中測定液滴體積更為方便，因此式（2）又可寫為：=(Vg/R)(1/2f) (3)式中，V為液滴體積；為液體的密度；f為校正因子。對于特定的測量儀器和被測液體，R和是固定的，在測量過程中，只要測出數(shù)滴液體的體積, 就可計算出該液體的表面張力。1.2方法特點【7】此法是一種相對精確而又可能是最方便的方法之一，它的樣品制備簡單，溫度時間間隔長,只用簡單的溫度控制即可，可用來測定氣-液和液-液界面，且樣品的用量少。但存

4、在的缺點是:(1)至今只能算是一種經(jīng)驗方法;(2)不能用來測定達到平衡較慢的表面張力,同時該法也不能達到完全的平衡;(3)存在準確測定液體體積和很好地控制液滴滴落速度等問題。2、毛細管上升法【8】2.1測定原理將一支毛細管插入液體中，液體將沿毛細管上升,升到一定高度后，毛細管內(nèi)外液體將達到平衡狀態(tài)，液體就不再上升了。此時,液面對液體所施加的向上的拉力與液體總向下的力相等。則=12l-gghrcos (1)式中為表面張力；r為毛細管的半徑；h為毛細管中液面上升的高度；l為測量液體的密度;g為氣體的密度(空氣和蒸氣；g為當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣龋粸橐后w與管壁的接觸角。若毛細管管徑很小，而且=0時，則上式(

5、1)可簡化為=12ghr (2)2.2優(yōu)點本法是用來直接測定液體表面張力的最為準確的絕對方法之一，也是應(yīng)用最多的方法之一。由于它不僅理論完整，而且實驗條件可以嚴格控制，是一種重要的測定方法。隨著技術(shù)的發(fā)展，毛細管上升技術(shù)也可以用來測定動態(tài)表面張力。此方法還曾被用于高溫高壓條件下表面張力的測定，但溫度一般不超過100，壓強不超過13.8MPa。2.3缺點(1)不易選得內(nèi)徑均勻的毛細管和準確測定內(nèi)徑值;(2)液體與管壁的接觸角不易測量;(3)溶液的純度會對表面張力的測量造成不同程度的影響。(4)需要較多液體才能獲得水平基準面(一般認為直徑在10cm以上液面才能看作平面)，所以基準液面的確定可能產(chǎn)生

6、誤差。3、最大氣泡壓力法【9】3.1、測定原理若在密度為的液體中，插入一個半徑為r的毛細管，深度為t，經(jīng)毛細管吹入一極小的氣泡，其半徑恰好與毛細管半徑相等。此刻氣泡內(nèi)壓力最大。根據(jù)拉普拉斯公式，氣泡最大壓力為：Pm=gt+2r即=12rPm-gt3.2、優(yōu)點此種方法設(shè)備簡單，操作方便，不需要完全濕潤，它既是相對的方法，也是絕對的方法。可以測量靜態(tài)和動態(tài)的表面張力，測量的有效時間范圍大，溫度范圍寬。3.3、缺點(1)氣泡不斷生成可能會擾動液面平衡，改變液體表面溫度，因此不易控制氣泡形成速度；(2)要求在氣泡逸出瞬間讀取氣泡的最大壓力，因此此值很難測準；(3)毛細管的半徑不易準確測定；(4)此法中

7、，最大壓差為大氣壓與系統(tǒng)壓力的差值，因此，當(dāng)室內(nèi)氣流流動時，會造成大氣壓的變化，使實驗測得的數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定誤差；(5)為了消除溶液靜壓對測定結(jié)果的影響，測定時要求測量的毛細管插入液體中的深度為0,但要調(diào)整毛細管尖端與被測液面相切有一定的難度。4、差分最大氣泡壓力法【10】4.1、測定原理差分最大氣泡壓力法原理是:兩個同質(zhì)異徑的毛細管插入被測液體中，氣泡從毛細管中通過后到達液體中，測量兩個毛細管中氣泡的最大壓力p1和p2,，表面張力是壓差的函數(shù)，計算公式為：=12p+l-ggr2-r13-12t+gr2-r1l-g1r1-1r224式中p為兩毛細管的壓差；t為兩管插入液面的高度差。4.2優(yōu)點(1)

8、通過調(diào)整毛細管的插入深度來降低測量和計算的復(fù)雜程度；(2)現(xiàn)在的技術(shù)可用來測絕對表面張力也可用來測相對表面張力；(3)通過選擇合適的毛細管，大范圍的氣泡生成周期是可以達到的，從十分之一秒到幾分鐘，而且可用來測動態(tài)表面張力；(4)此種方法比差分毛細管上升法有更好的重復(fù)性。5、Wilhelmy盤法【11】5.1、測定原理用鉑片、云母片或顯微鏡蓋玻片掛在扭力天平或鏈式天平上，測定當(dāng)片的底邊平行面剛好接觸液面時的壓力，由此得表面張力，公式為：W總-W片=2lcos式中，W總為薄片與液面拉脫時的最大拉力;W片為薄片的重力;l為薄片的寬度;薄片與液體的接觸的周長近似為2l; 為薄片與液體的接觸角。5.2、

9、方法特點它具有完全平衡的特點。這是常用的實驗方法之一，且簡單，操作方便，不需要密度數(shù)據(jù)，直觀可靠，不僅可用于測定氣- 液表面張力，也可用于測定液-液界面張力。精確度可達到0.11 mNm-1。但存在的缺點是：(1)要求是液體必須很好地濕潤薄片，保持接觸角為零；(2)需要標準物質(zhì)校正浮力；(3)測定容器需要足夠大；(4)不適合高溫高壓和深顏色液體的測定；(5)清潔程序復(fù)雜；(6)測定時穩(wěn)定慢，不適合及時測量。6、環(huán)法【12】環(huán)法是把一圓環(huán)平置于液面上，測量將環(huán)拉離液面所需的最大力，并由此計算表面張力。因為當(dāng)環(huán)向上拉時，環(huán)上就會帶起一些液體，當(dāng)提起液體的質(zhì)量與沿環(huán)液體交界處的表面張力相等時，液體質(zhì)

10、量最大，再提升則液環(huán)斷開，環(huán)脫離液面，表面張力的計算方法為:=P4R12f式中，R為環(huán)的平均半徑；P為由環(huán)法測定的拉力；f為校正系數(shù)。7、滴外形法【13】對于表面吸附速率很慢的溶液只能采用滴外形法。所謂的滴外形法就是利用液滴或氣泡的形狀與表面張力存在一定關(guān)系的特點，測定平衡表面張力及表面張力隨時間變化的關(guān)系。動態(tài)測定表面張力法1、振蕩射流法【14】毛細管上升法、最大氣泡壓力法、DuNouy吊環(huán)法、Wilhelmy吊片法、滴重法和滴體積法等是測定平衡時的表面張力，即靜態(tài)張力。但是，對于時間極短的溶液表面張力的變化，則需用動態(tài)法測量。一般地，測定液體表面張力的方法稍以改動可用于測量動表面張力；但對

11、于時間很短的動表面張力，可以采用振蕩射流法，該法測定的時間范圍可低達1ms左右。液流在橢圓形管口噴出時，射流可作周期性振動，形成一連串的波形。波形的產(chǎn)生是由于液體表面張力有使液流由橢圓形變?yōu)閳A形的傾向和射流慣性力的相互作用。通過射流動表面張力公式，自射流波長和射流速度可測得表面張力與表面老化時間的對應(yīng)關(guān)系。2、旋滴法【15】旋滴法主要用于測定超低表面張力。一般將表面張力值在l0mNm10 mNm時稱為低表面張力，10I3 mNm以下稱為超低表面張力。測定原理：在樣品管中裝入高密度的液體，再加入少量低密度液體，密閉后，將其置于旋滴儀中使其以 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

12、在高密度液體中形成圓柱形液滴。設(shè)圓柱形長為Z，半徑為r0，兩液體的密度差為p。當(dāng)圓柱形長度與直徑的比率大于4時，表面張力 可由Vonnegut方程求出：=pr043、懸滴法【16】3.1、測定原理懸滴法是根據(jù)在水平面上自然形成的液滴形狀計算表面張力。在一定平面上，液滴形狀與液體表面張力和密度有直接關(guān)系。由Laplace公式，描述在任意的一點P曲面內(nèi)外壓差為1R1+1R2=P0+l-ggz式中，R1，R2為液滴的主曲率半徑；z為以液滴頂點O為原點,液滴表面上P的垂直坐標;P0為頂點O處的靜壓力。定義S=ds/de式中de為懸滴的最大直徑;ds為離頂點距離為de處懸滴截面的直徑再定義H=(de/b

13、)2則得:=l-ggdeH除了它對樣品的濕潤性無嚴格要求,不受接觸角影響外,還有測定范圍廣(不僅可測定液體的靜態(tài),還可測定液體的動態(tài)表面張力)的特點。這是一種液體用量少而且應(yīng)用廣泛的方法,也比較適用于高溫高壓條件下液體表面張力和低表面張力的測定,可以用來測定200和81.7MPa條件下的液體表面張力。3.3、缺點(1)設(shè)備復(fù)雜, 操作麻煩;(2)數(shù)據(jù)處理也復(fù)雜;(3)待測物質(zhì)的性質(zhì)需要事先準確知道。二、結(jié)論(1)在實際測量表面張力時，可以根據(jù)要求的實驗精度、溫度壓力和設(shè)備的實現(xiàn)難易程度來選擇。當(dāng)要求精度比較高時，可以采用毛細管上升法、最大氣泡壓力法、Wilhelmy吊片法，否則可以選擇DuNo

14、uy吊環(huán)法、懸滴法或旋滴法。當(dāng)溫度和壓力比較高的時候，可以采用毛細管上升法、滴體積法、旋滴法、懸滴法、最大氣泡壓力法和震蕩射流法進行測定。張力隨面積的變化(2)當(dāng)同時考察溫度、壓力和氣氛對表面張力的影響時，懸滴法是最有效的方法之一。隨著CCD攝像技術(shù)和計算機圖像采集處理技術(shù)的發(fā)展，促進了滴外形法的發(fā)展，該技術(shù)不但可以研究懸滴和躺滴，而且可以測定震蕩泡壓；既可以遙控測定在模擬空間站的微重力環(huán)境下的絕對張力和膨脹粘度，又可以模擬地下溫度、壓力，測定油一水界面張力，可實現(xiàn)全自動測量，測量速度極快，排除人為因素的影響，數(shù)據(jù)客觀可靠。因此，應(yīng)用軸稱滴形分析技術(shù)的懸滴法必將在表面及界面科學(xué)研究中發(fā)揮巨大的作用。參考資料1 /p-536791696861.html2程傳煊表面物理化學(xué)M北京：科學(xué)技術(shù)文獻出版社，19953尹東霞，馬沛生，夏淑倩液體表面張力測定方法的研究進展J科技通報，2007，23(3)：424429，4334李艷紅，王升寶，常麗萍表(界)面張力測定方法的研究進展J日用化學(xué)工業(yè)，2007，37(2)：1