什么是表面張力？以球形液滴鋪展到表面為例，表面積變大、意味著(zhù)液體內部的某些分子被“拉到“表面并鋪于表面上。當內部分子被拉到表面時(shí)，需要克服內部分子的吸引力而消耗功。因此，表面張力可定義為增加單位面積所消耗的功。

表面張力的單位是N/M。是作用在單位長(cháng)度上的力。

分子間力可以引起凈吸力。而凈吸力引起表面張力，表面張力永遠和液體表面相切，而和凈吸力相互垂直。

表面張力儀的結構組成

一般表面張力儀主要由探頭、升降缸、換向閥、微型空壓機、節流閥和單片機測控單元等部分構成。其中探頭和計算機測控單元為測試儀數據采集與處理的核心部分，由微型空壓機、換向閥、節流閥和微型氣缸構成的氣路單元既可以為探頭提供動(dòng)力，又可以向毛細管提供流量適宜的氣源。

以鉑金板法表面張力儀為例，其儀器組成結構簡(jiǎn)圖如圖1所示。主要部件包括樣品臺、探測鉑金板、微處理機等。

圖1鉑金板法表面張力儀的系統簡(jiǎn)圖

表面張力儀的測試過(guò)程

儀器測試過(guò)程如下：

a)在計算機的控制下，微型空壓機啟動(dòng)，壓縮空氣分別經(jīng)換向閥和節流閥進(jìn)入升降氣缸和探頭；

b)升降氣缸驅動(dòng)探頭下移使毛細管和溫度傳感器浸入被測液體，節流后的壓縮空氣經(jīng)毛細管向液體吹氣，通過(guò)微壓差傳感器可以實(shí)時(shí)監測氣泡內的壓力變化；

c)當壓力達到某一門(mén)限值時(shí)，計算機輸出控制信號令升降缸停止運動(dòng)，并不斷采集泡內壓力信號和液體溫度信號；

d)5s后換向閥轉向，探頭被提出，同時(shí)停止吹氣；

e)計算機自動(dòng)識別ΔP和N值，計算當量表面張力，相關(guān)參數送LED顯示和微型打印機打印。

表面張力儀校準方法

校正儀器首先調節張面張力儀底部的升降螺絲，使儀器平臺呈水平。之后，檢查鉑金圓環(huán)的周邊是否水平，如不呈水平則調正之。再調整零點(diǎn)，然后將已知質(zhì)量的游碼置于儀器的圓環(huán)上，測出其讀數。用下式計算應得的值：

式中9——重力加速度，m／s2；

m——游碼的質(zhì)量，g；

L——鉑金圓環(huán)的周長(cháng)，m。

如測出的讀數與計算值不符時(shí)，調節儀器直至相符為止。

c．測定測定應在恒溫室中進(jìn)行。測試液的溫度應保持恒定，該溫度一般可在20～25℃范圍內任選一種。

測定時(shí)，測量杯先用待測溶液沖洗幾次，然后用移液管從大量待測溶液的中部吸取試驗份樣于測量杯內。將此測量杯放在儀器的平臺上，升起平臺至鉑金圓環(huán)浸入測試溶液的中部，再慢慢地放低平臺，同時(shí)調節連接鉑金圓環(huán)的臂上的拉力，使臂上的平衡指針與反射鏡上的紅線(xiàn)重合。繼續小心緩慢地降低平臺。并不斷調節臂上的拉力，使鉑金圓環(huán)上、下二力始終保持平衡。當鉑金圓環(huán)剛露出液面時(shí)，在圓環(huán)與液面之間會(huì )形成一液膜，當拉力增大到一定程度時(shí)，液膜破裂，讀出此時(shí)刻度盤(pán)上的讀數，即為該測試溶液測得的表面張力值。測量示意圖如圖2所示。

圖2表面張力測量

重復上述操作，連續測試5次。同一樣品連續5次測得的表面張力值相差不允許超過(guò)0．2mN／m。

表面張力儀的分類(lèi)

作為液體重要的物理性質(zhì)參數，表面張力無(wú)法直接通過(guò)熱力學(xué)微分關(guān)系式從狀態(tài)方程導出，只能通過(guò)儀器精密測量。表面張力的測定方法分為靜態(tài)法和動(dòng)態(tài)法，其中靜態(tài)法包括最大氣泡壓力法、鉑金環(huán)法等，而動(dòng)態(tài)法包括懸滴法、旋滴法等。表面張力儀根據所使用的測定方法不同，可分為如下幾類(lèi)：

（1）鉑金環(huán)法表面張力儀

測量原理：首先將鉑金環(huán)輕輕地浸入液體內，然后將鉑金環(huán)慢慢地往上提升，即液面相對而言下降，使得鉑金環(huán)下面形成一個(gè)液柱，并最終與鉑金環(huán)分離。整個(gè)過(guò)程中，鉑金環(huán)法表面張力儀會(huì )感測一個(gè)最高值，該值形成于鉑金環(huán)與液體樣品將離而未離時(shí)。這個(gè)最高值轉化為表面張力值的精度取決于液體的粘度。

（2）鉑金板法表面張力儀

測量原理：當感測鉑金板浸入到被測液體后，鉑金板周?chē)蜁?huì )受到表面張力的作用，液體的表面張力會(huì )將鉑金板盡量地往下拉。當液體表面張力及其他相關(guān)的力與平衡力達到均衡時(shí)，感測鉑金板就會(huì )停止向液體內部浸入。這時(shí)候，儀器的平衡感應器就會(huì )測量浸入深度，并將它轉化為液體的表面張力值。參見(jiàn)圖3。

圖3鉑金板法表面張力儀的測量原理示意圖

（3）最大氣泡法表面張力儀

測量原理：將一根毛細管插入待測液體內部，從管中緩慢地通入惰性氣體對其內部的液體施以壓力，使它能在管端形成氣泡逸出。氣泡在生成及發(fā)展過(guò)程中，氣泡的曲率半徑將隨惰性氣體的壓力變化而改變，當氣泡的形狀恰為半球形時(shí)，氣泡的曲率半徑為最小，正好等于毛細管半徑，此時(shí)所受的壓力差最大。參照圖4。然后根據拉普拉斯（Laplace）公式（1.1）可以計算得出表面張力：

Δp=2σ/R（1.1）

式中，Δp為附加壓力；σ為表面張力；R為氣泡的曲率半徑。

圖4最大氣泡法表面張力儀的測量原理示意圖

（4）懸滴法表面張力儀

測量原理：當液體自管口滴落時(shí)，液體的大小與液體的密度和表面張力有關(guān)，并且落滴重量與管口半徑與液體表面張力有關(guān)。該方法是根據液滴的外形來(lái)測定表面張力的方法，其原理

是根據Laplace關(guān)于毛細現象的方程（1.2）:

Δp=γ（1/R1+1/R2）（1.2）

Δp為表面壓力差，γ為表面張力，R1和R2為曲面半徑。

（5）旋轉滴法表面張力儀

測量原理：通過(guò)測定一種液體在不相溶的另一種液體中的停滴的赤道寬度及赤道至液體滴頂點(diǎn)高度，通過(guò)計算公式計算出這兩種液體的界面張力值。由于測得的是界面張力值，因此必須要求有兩相形成。主要用于測定超低表面張力，一般將表面張力值在10-1～10-3 mN/m時(shí)稱(chēng)為低表面張力，10-3 mN/m以下稱(chēng)為超低表面張力。

表面張力儀的應用

表面張力儀廣泛應用于科研、生產(chǎn)的各個(gè)方面，如油漆、農藥、電鍍、食品、生物工程等行業(yè)，概括如下：

a)墨水、油墨、油漆、染料、助劑等行業(yè)：分析印刷/涂布工藝中的可潤濕性、極性力和色散力組成，進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)以及質(zhì)量控制；

b)農藥行業(yè)：添加劑研制，配方，可潤濕性分析；

c)紡織品行業(yè)：接觸角分析，染料可潤濕性分析，表面張力分析，附著(zhù)力分析；

d)醫藥行業(yè)：藥片、藥物活性成分和輔助劑的浸潤行為分析，研究形成和膨脹性質(zhì)、行為能力，表面張力分析，可潤濕性分析；

e)電力行業(yè)：變壓器油、絕緣油表面張力分析，纖維束接觸角分析；

f)洗滌用品、清洗劑產(chǎn)業(yè)：表面活性劑吸附速度、性質(zhì)，討論適當的濃度；

g)食品工業(yè)、飼料：罐頭涂層表面張力分析、清潔度分析，食品罐頭和涂料的潤濕性。

應用要點(diǎn)：

物體表面張力與物質(zhì)的結構聯(lián)系緊密，有必要對物體的表面張力進(jìn)行精準測量，進(jìn)而對于其內部結構進(jìn)行更為細致的研究。

表面張力儀廣泛應用于科研、生產(chǎn)的各個(gè)方面，如油漆、農藥、電鍍、食品、生物工程等行業(yè)。如表面油墨、油品、芬芳劑、涂料等表面張力的測試，通過(guò)對涂料的表面張力進(jìn)行測試，若測得結果低于基質(zhì)的表面能，則需要對表面進(jìn)行潤濕。如果基質(zhì)的界面張力低，如塑料，或者是基質(zhì)表面被污染或者有油脂殘留，都會(huì )導致不充分潤濕或潤濕有問(wèn)題。水性涂料的高表面張力使其很難達到很好的涂層效果，加入以有機硅為基的潤濕劑可以顯著(zhù)降低水性涂料的表面張力，從而保證較好的潤濕效果等等。

表面張力儀需嚴格按照CNAS要求管理，定期校準，確保檢測結果的可靠性和精準性。