表面張力測試之懸滴法


測試液體表面張力的方法有很多種,如通過測量界面兩相的壓力差,再運用楊氏公式計算表面張力的壓力測量法,包括毛細管升高法(Capillary-Rise Method)、ZUI大氣泡壓力法(Maximum Bubble Pressure Method)等;運用金屬探針與待測界面接觸,再通過天平測量作用在探針上的力的力測量法,包括掛環(huán)法(Du Nouy Ring Method)、吊片法(Wilhelmy Plate Method)等;基于對一處于力平衡狀態(tài)的界面形狀分析的界面形狀分析法,也是一種光學分析法,包括懸滴法(Pendant Drop Method)、滴體積法(Drop Volume Method)、旋轉滴法(Spinning Drop Method)等。
其中,掛環(huán)法、吊片法、懸滴法、滴體積法和旋轉滴法可用于測定靜/動態(tài)表面張力和液—液界面張力;毛細管升高法則不能用于測定動態(tài)表面張力和液—液界面張力;ZUI大氣泡壓力法則不能用于測定液—液界面張力,可用于測定動態(tài)表面張力。
這里以懸滴法為例:采用數字圖像技術采集液滴從毛細管內擠出懸掛于管口處的圖像,通過對圖像中液滴外形尺寸的測量,就可推算出液體的表面張力;或將液滴懸掛在另一不相溶溶液中,也可推算出兩種液體的界面張力。其計算公式如下:
γ=Δρ·g·De2/H (1)
(1)式中γ為液體表/界面張力;Δρ為液滴相與外相的密度差(液體表面張力可取Δρ≈液相密度ρL);g為重力加速度;De為液滴ZUI大直徑;H為形狀修正系數,即液滴的拉長度。計算時,首先量取液滴的ZUI大橫向直徑De,然后由液滴ZUI低點O點起在Y軸上量取長度為De,得到OA,由A點作水平線與液滴輪廓相交,得到Ds,S=DS/De,然后由液滴外形的特征尺寸S查表求得相應的1/H值,代入公式求得表/界面張力γ值。
懸滴法是一種一概的測量方法,其假設僅有兩點:一是液滴處于表面張力和重力的靜力平衡;二是懸滴呈中心軸對稱狀態(tài)。對于粘度在100Pa·S以下的液體做到這兩點并不難,只要保證形成的懸滴不要太小就基本能達到要求。基于數字圖像的懸滴法唯一需要校正的是圖像的放大倍數,這可通過對已知尺寸的、用來形成懸滴的毛細管/針管的圖像的同時測量來獲得校正,由此引入的系統(tǒng)誤差可控制在0.1%左右。
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