什么是表面張力？以球形液滴鋪展到表面為例，表面積變大、意味著液體內(nèi)部的某些分子被“拉到“表面并鋪于表面上。當(dāng)內(nèi)部分子被拉到表面時(shí)，需要克服內(nèi)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(yuǎn)和液體表面相切，而和凈吸力相互垂直。

表面張力儀的結(jié)構(gòu)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(jī)、節(jié)流閥和單片機(jī)測控單元等部分構(gòu)成。其中探頭和計(jì)算機(jī)測控單元為測試儀數(shù)據(jù)采集與處理的核心部分，由微型空壓機(jī)、換向閥、節(jié)流閥和微型氣缸構(gòu)成的氣路單元既可以為探頭提供動(dòng)力，又可以向毛細(xì)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(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。主要部件包括樣品臺、探測鉑金板、微處理機(jī)等。

圖1鉑金板法表面張力儀的系統(tǒng)簡圖

表面張力儀的測試過程

儀器測試過程如下：

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

b)升降氣缸驅(qū)動(dòng)探頭下移使毛細(xì)管和溫度傳感器浸入被測液體，節(jié)流后的壓縮空氣經(jīng)毛細(xì)管向液體吹氣，通過微壓差傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測氣泡內(nèi)的壓力變化；

c)當(dāng)壓力達(dá)到某一門限值時(shí)，計(jì)算機(jī)輸出控制信號令升降缸停止運(yùn)動(dòng)，并不斷采集泡內(nèi)壓力信號和液體溫度信號；

d)5s后換向閥轉(zhuǎn)向，探頭被提出，同時(shí)停止吹氣；

e)計(jì)算機(jī)自動(dòng)識別ΔP和N值，計(jì)算當(dāng)量表面張力，相關(guān)參數(shù)送LED顯示和微型打印機(jī)打印。

表面張力儀校準(zhǔn)方法

校正儀器首先調(diào)節(jié)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(diào)正之。再調(diào)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(shù)。用下式計(jì)算應(yīng)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，m。

如測出的讀數(shù)與計(jì)算值不符時(shí)，調(diào)節(jié)儀器直至相符為止。

c．測定測定應(yīng)在恒溫室中進(jìn)行。測試液的溫度應(yīng)保持恒定，該溫度一般可在20～25℃范圍內(nèi)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(yàn)份樣于測量杯內(nèi)。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(diào)節(jié)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重合。繼續(xù)小心緩慢地降低平臺。并不斷調(diào)節(jié)臂上的拉力，使鉑金圓環(huán)上、下二力始終保持平衡。當(dāng)鉑金圓環(huán)剛露出液面時(shí)，在圓環(huán)與液面之間會形成一液膜，當(dāng)拉力增大到一定程度時(shí)，液膜破裂，讀出此時(shí)刻度盤上的讀數(shù)，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(fù)上述操作，連續(xù)測試5次。同一樣品連續(xù)5次測得的表面張力值相差不允許超過0．2mN／m。

表面張力儀的分類

作為液體重要的物理性質(zhì)參數(shù)，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，只能通過儀器精密測量。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(jù)所使用的測定方法不同，可分為如下幾類：

（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(nèi)，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)過程中，鉑金環(huán)法表面張力儀會感測一個(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(zhuǎn)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(dāng)感測鉑金板浸入到被測液體后，鉑金板周圍就會受到表面張力的作用，液體的表面張力會將鉑金板盡量地往下拉。當(dāng)液體表面張力及其他相關(guān)的力與平衡力達(dá)到均衡時(shí)，感測鉑金板就會停止向液體內(nèi)部浸入。這時(shí)候，儀器的平衡感應(yīng)器就會測量浸入深度，并將它轉(zhuǎn)化為液體的表面張力值。參見圖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(xì)管插入待測液體內(nèi)部，從管中緩慢地通入惰性氣體對其內(nèi)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)展過程中，氣泡的曲率半徑將隨惰性氣體的壓力變化而改變，當(dāng)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(xì)管半徑，此時(shí)所受的壓力差最大。參照圖4。然后根據(jù)拉普拉斯（Laplace）公式（1.1）可以計(jì)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(dāng)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(jù)液滴的外形來測定表面張力的方法，其原理

是根據(jù)Laplace關(guān)于毛細(xì)現(xiàn)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(zhuǎn)滴法表面張力儀

測量原理：通過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，通過計(jì)算公式計(jì)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)稱為低表面張力，10-3 mN/m以下稱為超低表面張力。

表面張力儀的應(yīng)用

表面張力儀廣泛應(yīng)用于科研、生產(chǎn)的各個(gè)方面，如油漆、農(nóng)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(nóng)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，附著力分析；

d)醫(yī)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(dāng)?shù)臐舛龋?

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(yīng)用要點(diǎn)：

物體表面張力與物質(zhì)的結(jié)構(gòu)聯(lián)系緊密，有必要對物體的表面張力進(jìn)行精準(zhǔn)測量，進(jìn)而對于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行更為細(xì)致的研究。

表面張力儀廣泛應(yīng)用于科研、生產(chǎn)的各個(gè)方面，如油漆、農(nóng)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，通過對涂料的表面張力進(jìn)行測試，若測得結(jié)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，都會導(dǎo)致不充分潤濕或潤濕有問題。水性涂料的高表面張力使其很難達(dá)到很好的涂層效果，加入以有機(jī)硅為基的潤濕劑可以顯著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(yán)格按照CNAS要求管理，定期校準(zhǔn)，確保檢測結(jié)果的可靠性和精準(zhǔn)性。