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表面張力和界面張力-如何選擇最適測量方法

大昌洋行(上海)有限公司(大昌華嘉)  2019-06-10  點擊501次

表面張力和界面張力測量方法眾多,很難確定哪一個方法為最適測量方法。你有可能聽說過力學法和光學法,也可能聽過說板法和環法,但是如果測量結果都一樣的話為何要有如此多的測量方法。由于表面張力和界面張力測量廣泛應用在不同領域,各個樣品間有明顯的不同。當選擇測量方法時,需要考慮樣品和應用方向。

在這篇應用文章中,我們會提供方法選擇的工具。通過針對樣品和應用方向的提問,能夠確定哪種方法最適合測試。

快速瀏覽測量方法

最常用的表面張力和界面張力的測量方法為環法、板法和懸滴法,前兩種是力學法,最后一種是光學法。

力學法是測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。當探針與液體界面接觸時天平記錄力的變化來計算表面張力。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。兩種探針在測試中經常使用:板和環。當樣品量有限時鉑金棒也可替代板。

表面張力和界面張力也可使用光學法中的懸滴法測量。針頭處懸掛的液體形狀取決于力的平衡,包括測試液體的表面張力。現代計算使用迭代方法計算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算出來。

方法選擇問題

為根據應用選擇最適測量方法,有幾件事情需要提前考慮。下面我們總結了一些問題。

是否需要標準化的測量方法

力學法是國際標準中測量表面張力最普遍的測試方法,盡管一些光學法的標準仍然存在。張力測量標準清單如表1所示。如果您的應用需要遵循工業標準,那么需要根據標準選擇測試方法。

樣品體積是否有限

在一些應用中,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量方法。

在力學法中,所需樣品量在毫升范圍。確切的樣品量根據選擇樣品杯確定,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。在力學法中,可選用鉑金棒法測試小體積樣品。鉑金棒直徑小,可選用小半徑樣品杯,因此所需樣品量會比大樣品杯少。但是鉑金棒的測量精度低于板和環。因此對于小體積樣品,由于懸滴法測試僅需10μL樣品,最適合小體積樣品測量。

是否為表面活性劑類樣品

測試表面活性劑類樣品會有有趣的發現。如表1所示,測量表面活性劑樣品的表面張力有兩個標準可參考。這兩個標準分別使用板法和環法測試。然而環法測試表面活性劑類樣品有些問題,因為在測量過程中表面的拉扯導致。這意味著由于在拉扯中新的表面積持續產生,導致在測試過程中很難達到平衡狀態。測試結果會比在平衡狀態下的結果偏大。

另一方面,板法由于在測試過程中板在測試液體中穩定因此容易獲得穩定狀態。然而板的表面會產生吸附現象,改變板的浸潤性。由于上述原因,懸滴法是測量表面活性劑樣品表面張力的最適方法,除非一定要遵循特定標準。另一個選擇力學法測試的原因是能夠自動測量臨界膠束濃度。

測試液體的粘度

由于力學法測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。當液體的粘度過高,則需要更長的時間潤濕探針。這對于板法測試來說是很容易實現的,因為板法在測試過程中會有很長時間的平衡時間。由于粘性樣品對環的拉力很難控制,因此環法并不適合粘度大的液體樣品測試。盡管懸滴法可以測定粘度大于1000mPa*s的樣品,但由于樣品密度同樣對測試有影響,因此并不能確定粘度樣品的界限。當考慮測試方法是否適合樣品表面張力測試時,需要提前測試下當將樣品倒入樣品杯時液體的流動狀態。一些常見液體的粘度數值可參見表2

樣品污染是否容易清洗

當使用力學法測定表面和界面張力時,樣品杯和探針的清潔至關重要。探針最初要使用合適的溶液潤洗,然后用酒精燈烘烤,保證在測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間遠大于測試時間。為了避免清洗過程的時間消耗,可以使用光學測量法,移液槍頭用后即可拋棄。

在測量過程中是否需要控溫

對于很多種材料來說,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,那么在表面張力測量過程中需要控溫。

另一方面,對于生物類樣品,為取得精確結果需將溫度控制在37。通常表面張力的數值應標明測試溫度。光學法的Theta設備和力學法的Sigma設備均能夠控溫,但Sigma控溫更為便捷。

在測量過程中是否要控制壓力

在一些應用中,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,因此針對該類樣品需要在特定的壓力條件下測試。Theta高壓附件能夠滿足溫度和壓力控制。

是否需要測量其他參數

光學法的Theta和力學法的Sigma均能夠在測試表面和界面張力兩種指標外還能夠測定其他指標。如果上述兩種方法均適合您的樣品測試,您可能需要考慮其他測量指標對您是否有用。如果經常測定表面活性劑類樣品可能需要臨界膠束濃度測試,臨界膠束濃度濃度可在力學法的Sigma設備中實現測試。接觸角也可通過張力類儀器測試。然而光學法是最適接觸角測定方法。光學法的Theta設備還可配置震蕩滴模塊,滿足界面流變測量,對于發泡材料和乳膠類材料來講該參數十分重要。

總結

針對您應用的最好的測量方法取決于樣品特性和目標測試條件。同時也需要考慮是否需要其他參數測量,并且未來是否會有新的應用需求。如表3所示,列出了不同樣品和不同設備的最適測量方法。

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