表面張力和界面張力-如何選擇Z適測(cè)量方法

表面張力和界面張力測(cè)量方法眾多，很難確定哪一個(gè)方法為Z適測(cè)量方法。你有可能聽說過力學(xué)法和光學(xué)法，也可能聽過說板法和環(huán)法，但是如果測(cè)量結(jié)果都一樣的話為何要有如此多的測(cè)量方法。由于表面張力和界面張力測(cè)量廣泛應(yīng)用在不同領(lǐng)域，各個(gè)樣品間有明顯的不同。當(dāng)選擇測(cè)量方法時(shí)，需要考慮樣品和應(yīng)用方向。

在這篇應(yīng)用文章中，我們會(huì)提供方法選擇的工具。通過針對(duì)樣品和應(yīng)用方向的提問，能夠確定哪種方法Z適合測(cè)試。

快速瀏覽測(cè)量方法

Z常用的表面張力和界面張力的測(cè)量方法為環(huán)法、板法和懸滴法，前兩種是力學(xué)法，Z后一種是光學(xué)法。

力學(xué)法是測(cè)量氣體和液體或液體和液體間在探針位置處力的變化。探針與高精度天平連接，液體界面與探針接觸。當(dāng)探針與液體界面接觸時(shí)天平記錄力的變化來計(jì)算表面張力。力取決于下述因素：探針形狀和大小、探針與液體間的接觸角、液體的表面張力。探針的形狀和大小容易控制。探針通常用鉑金制成來保證探針與樣品的接觸角接近0度。兩種探針在測(cè)試中經(jīng)常使用：板和環(huán)。當(dāng)樣品量有限時(shí)鉑金棒也可替代板。

表面張力和界面張力也可使用光學(xué)法中的懸滴法測(cè)量。針頭處懸掛的液體形狀取決于力的平衡，包括測(cè)試液體的表面張力?，F(xiàn)代計(jì)算使用迭代方法計(jì)算Young-laplace方程的解。因此已知密度的兩種不相溶液體的表面和界面張力可以計(jì)算出來。

方法選擇問題

為根據(jù)應(yīng)用選擇Z適測(cè)量方法，有幾件事情需要提前考慮。下面我們總結(jié)了一些問題。

是否需要標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)量方法

力學(xué)法是國際標(biāo)準(zhǔn)中測(cè)量表面張力Z普遍的測(cè)試方法，盡管一些光學(xué)法的標(biāo)準(zhǔn)仍然存在。張力測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)清單如表1所示。如果您的應(yīng)用需要遵循工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，那么需要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)選擇測(cè)試方法。

樣品體積是否有限

在一些應(yīng)用中，尤其是生物類樣品，由于樣品昂貴或難以獲得等原因樣品量十分有限。在這種情況下，必須選擇小樣品量測(cè)量方法。

在力學(xué)法中，所需樣品量在毫升范圍。確切的樣品量根據(jù)選擇樣品杯確定，樣品量要保證探針完全浸入。樣品杯的直徑必須保證探針有足夠的空間。在力學(xué)法中，可選用鉑金棒法測(cè)試小體積樣品。鉑金棒直徑小，可選用小半徑樣品杯，因此所需樣品量會(huì)比大樣品杯少。但是鉑金棒的測(cè)量精度低于板和環(huán)。因此對(duì)于小體積樣品，由于懸滴法測(cè)試僅需10μL樣品，Z適合小體積樣品測(cè)量。

是否為表面活性劑類樣品

測(cè)試表面活性劑類樣品會(huì)有有趣的發(fā)現(xiàn)。如表1所示，測(cè)量表面活性劑樣品的表面張力有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)可參考。這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)分別使用板法和環(huán)法測(cè)試。然而環(huán)法測(cè)試表面活性劑類樣品有些問題，因?yàn)樵跍y(cè)量過程中表面的拉扯導(dǎo)致。這意味著由于在拉扯中新的表面積持續(xù)產(chǎn)生，導(dǎo)致在測(cè)試過程中很難達(dá)到平衡狀態(tài)。測(cè)試結(jié)果會(huì)比在平衡狀態(tài)下的結(jié)果偏大。

另一方面，板法由于在測(cè)試過程中板在測(cè)試液體中穩(wěn)定因此容易獲得穩(wěn)定狀態(tài)。然而板的表面會(huì)產(chǎn)生吸附現(xiàn)象，改變板的浸潤性。由于上述原因，懸滴法是測(cè)量表面活性劑樣品表面張力的Z適方法，除非一定要遵循特定標(biāo)準(zhǔn)。另一個(gè)選擇力學(xué)法測(cè)試的原因是能夠自動(dòng)測(cè)量臨界膠束濃度。

測(cè)試液體的粘度

由于力學(xué)法測(cè)試是基于液體與探針間的浸潤性，例如能夠形成彎月面，因此液體的粘度需要考慮在內(nèi)。當(dāng)液體的粘度過高，則需要更長的時(shí)間潤濕探針。這對(duì)于板法測(cè)試來說是很容易實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)榘宸ㄔ跍y(cè)試過程中會(huì)有很長時(shí)間的平衡時(shí)間。由于粘性樣品對(duì)環(huán)的拉力很難控制，因此環(huán)法并不適合粘度大的液體樣品測(cè)試。盡管懸滴法可以測(cè)定粘度大于1000mPa*s的樣品，但由于樣品密度同樣對(duì)測(cè)試有影響，因此并不能確定粘度樣品的界限。當(dāng)考慮測(cè)試方法是否適合樣品表面張力測(cè)試時(shí)，需要提前測(cè)試下當(dāng)將樣品倒入樣品杯時(shí)液體的流動(dòng)狀態(tài)。一些常見液體的粘度數(shù)值可參見表2。

樣品污染是否容易清洗

當(dāng)使用力學(xué)法測(cè)定表面和界面張力時(shí)，樣品杯和探針的清潔至關(guān)重要。探針Z初要使用合適的溶液潤洗，然后用酒精燈烘烤，保證在測(cè)試過程中探針有很好的潤濕性。樣品杯可以用相同的溶液清洗，并且使用去離子水清洗，以備下次使用。在很多情況下，探針和樣品杯的清洗所需時(shí)間遠(yuǎn)大于測(cè)試時(shí)間。為了避免清洗過程的時(shí)間消耗，可以使用光學(xué)測(cè)量法，移液槍頭用后即可拋棄。

在測(cè)量過程中是否需要控溫

對(duì)于很多種材料來說，表面張力大小受溫度影響。如果是這種情況，控溫是必須的。例如，如果研究在洗衣過程中表面活性劑的性質(zhì)，那么在表面張力測(cè)量過程中需要控溫。

另一方面，對(duì)于生物類樣品，為取得極ng確結(jié)果需將溫度控制在37℃。通常表面張力的數(shù)值應(yīng)標(biāo)明測(cè)試溫度。光學(xué)法的Theta設(shè)備和力學(xué)法的Sigma設(shè)備均能夠控溫，但Sigma控溫更為便捷。

在測(cè)量過程中是否要控制壓力

在一些應(yīng)用中，尤其是在原有開采過程中，壓力起到重要作用。由于表面和界面張力與壓力有關(guān)，因此針對(duì)該類樣品需要在特定的壓力條件下測(cè)試。Theta高壓附件能夠滿足溫度和壓力控制。

是否需要測(cè)量其他參數(shù)

光學(xué)法的Theta和力學(xué)法的Sigma均能夠在測(cè)試表面和界面張力兩種指標(biāo)外還能夠測(cè)定其他指標(biāo)。如果上述兩種方法均適合您的樣品測(cè)試，您可能需要考慮其他測(cè)量指標(biāo)對(duì)您是否有用。如果經(jīng)常測(cè)定表面活性劑類樣品可能需要臨界膠束濃度測(cè)試，臨界膠束濃度濃度可在力學(xué)法的Sigma設(shè)備中實(shí)現(xiàn)測(cè)試。接觸角也可通過張力類儀器測(cè)試。然而光學(xué)法是Z適接觸角測(cè)定方法。光學(xué)法的Theta設(shè)備還可配置震蕩滴模塊，滿足界面流變測(cè)量，對(duì)于發(fā)泡材料和乳膠類材料來講該參數(shù)十分重要。

總結(jié)

針對(duì)您應(yīng)用的**的測(cè)量方法取決于樣品特性和目標(biāo)測(cè)試條件。同時(shí)也需要考慮是否需要其他參數(shù)測(cè)量，并且未來是否會(huì)有新的應(yīng)用需求。如表3所示，列出了不同樣品和不同設(shè)備的Z適測(cè)量方法。