界面张力测定仪的测定方法主要基于不同的物理原理,常见的有以下几种,适用于不同场景(如表面张力、液 - 液界面张力、低张力体系等):
1. 吊环法(Du Nouy 法)
原理:将铂丝环(经火焰灼烧清洁)水平接触液面(或界面),缓慢提升环,此时液面会被拉起形成液膜,当液膜即将破裂时,测定所需的最大拉力,结合环的周长、液体密度等参数计算张力。
特点:经典方法,操作简便,适用于中高张力体系(如纯水、普通有机溶剂),但需校正环的润湿效应和液膜重力影响。
2. 吊板法(Wilhelmy 板法)
原理:将铂板(或玻璃、云母板,表面平整且亲水 / 疏水处理)垂直接触液面,测定板被液体润湿时的拉力(平衡状态下,拉力等于板的重力与表面张力的垂直分力之差),通过公式直接计算张力。
特点:无需校正液膜形状,精度较高,可用于动态测量(如表面张力随时间变化),适用于高低张力体系,对样品量要求较少。
3. 最大气泡压力法
原理:将毛细管插入液体中,通过毛细管向液体中通入气体,形成气泡,当气泡即将脱离毛细管时,内部压力达到最大(与表面张力、毛细管半径相关),通过测量最大压力差计算张力。
特点:响应速度快,适合动态测量(如表面活性剂溶液的动态表面张力),可用于高粘度液体,但需校正毛细管半径和深度影响。
4. 滴重法(滴体积法)
原理:让液体通过毛细管缓慢滴落,测定液滴的重量(或体积),液滴的形成与表面张力平衡相关,通过经验公式(如 Tate 公式)计算张力。
特点:操作简单,设备成本低,适用于中等张力体系,但受液滴脱离时的 “残留体积” 影响,需校正毛细管尺寸和液体粘度。
5. 悬滴法
原理:将液体滴在另一不相溶的介质中(如液体滴在气体或另一液体中),形成稳定的悬滴,通过拍摄悬滴的形状(主要是赤道直径和顶点到赤道的距离),结合 Young-Laplace 方程计算界面张力。
特点:样品用量极少,适用于低张力体系(如表面活性剂溶液、聚合物熔体),精度高,可用于动态测量。
6. 旋滴法
原理:在旋转的容器中,两种不相溶的液体形成液滴(通常是低粘度液体在高粘度液体中),旋转产生的离心力使液滴呈长椭球形,通过测量液滴的长度和旋转速度,计算极低界面张力(通常<1 mN/m)。
特点:专门用于极低张力体系(如石油开采中的油水界面、乳化液),精度极高,是低张力测量的标准方法之一。
总结
不同方法的适用场景不同,需根据体系的张力范围(高 / 中 / 低)、状态(静态 / 动态)、样品特性(粘度、用量)等选择。例如,悬滴法和旋滴法适用于低张力,吊环 / 吊板法适用于中高张力,最大气泡压力法适合动态测量。