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表面张力和界面张力-如何选择最适测量方法

2019-06-10

表面张力和界面张力测量方法众多,很难确定哪一个方法为最适测量方法。你有可能听说过力学法和光学法,也可能听过说板法和环法,但是如果测量结果都一样的话为何要有如此多的测量方法。由于表面张力和界面张力测量广泛应用在不同领域,各个样品间有明显的不同。当选择测量方法时,需要考虑样品和应用方向。

在这篇应用文章中,我们会提供方法选择的工具。通过针对样品和应用方向的提问,能够确定哪种方法最适合测试。

快速浏览测量方法

最常用的表面张力和界面张力的测量方法为环法、板法和悬滴法,前两种是力学法,最后一种是光学法。

力学法是测量气体和液体或液体和液体间在探针位置处力的变化。探针与高精度天平连接,液体界面与探针接触。当探针与液体界面接触时天平记录力的变化来计算表面张力。力取决于下述因素:探针形状和大小、探针与液体间的接触角、液体的表面张力。探针的形状和大小容易控制。探针通常用铂金制成来保证探针与样品的接触角接近0度。两种探针在测试中经常使用:板和环。当样品量有限时铂金棒也可替代板。

表面张力和界面张力也可使用光学法中的悬滴法测量。针头处悬挂的液体形状取决于力的平衡,包括测试液体的表面张力。现代计算使用迭代方法计算Young-laplace方程的解。因此已知密度的两种不相溶液体的表面和界面张力可以计算出来。

方法选择问题

为根据应用选择最适测量方法,有几件事情需要提前考虑。下面我们总结了一些问题。

是否需要标准化的测量方法

力学法是国际标准中测量表面张力最普遍的测试方法,尽管一些光学法的标准仍然存在。张力测量标准清单如表1所示。如果您的应用需要遵循工业标准,那么需要根据标准选择测试方法。

样品体积是否有限

在一些应用中,尤其是生物类样品,由于样品昂贵或难以获得等原因样品量十分有限。在这种情况下,必须选择小样品量测量方法。

在力学法中,所需样品量在毫升范围。确切的样品量根据选择样品杯确定,样品量要保证探针完全浸入。样品杯的直径必须保证探针有足够的空间。在力学法中,可选用铂金棒法测试小体积样品。铂金棒直径小,可选用小半径样品杯,因此所需样品量会比大样品杯少。但是铂金棒的测量精度低于板和环。因此对于小体积样品,由于悬滴法测试仅需10μL样品,最适合小体积样品测量。

是否为表面活性剂类样品

测试表面活性剂类样品会有有趣的发现。如表1所示,测量表面活性剂样品的表面张力有两个标准可参考。这两个标准分别使用板法和环法测试。然而环法测试表面活性剂类样品有些问题,因为在测量过程中表面的拉扯导致。这意味着由于在拉扯中新的表面积持续产生,导致在测试过程中很难达到平衡状态。测试结果会比在平衡状态下的结果偏大。

另一方面,板法由于在测试过程中板在测试液体中稳定因此容易获得稳定状态。然而板的表面会产生吸附现象,改变板的浸润性。由于上述原因,悬滴法是测量表面活性剂样品表面张力的最适方法,除非一定要遵循特定标准。另一个选择力学法测试的原因是能够自动测量临界胶束浓度。

测试液体的粘度

由于力学法测试是基于液体与探针间的浸润性,例如能够形成弯月面,因此液体的粘度需要考虑在内。当液体的粘度过高,则需要更长的时间润湿探针。这对于板法测试来说是很容易实现的,因为板法在测试过程中会有很长时间的平衡时间。由于粘性样品对环的拉力很难控制,因此环法并不适合粘度大的液体样品测试。尽管悬滴法可以测定粘度大于1000mPa*s的样品,但由于样品密度同样对测试有影响,因此并不能确定粘度样品的界限。当考虑测试方法是否适合样品表面张力测试时,需要提前测试下当将样品倒入样品杯时液体的流动状态。一些常见液体的粘度数值可参见表2。

样品污染是否容易清洗

当使用力学法测定表面和界面张力时,样品杯和探针的清洁至关重要。探针最初要使用合适的溶液润洗,然后用酒精灯烘烤,保证在测试过程中探针有很好的润湿性。样品杯可以用相同的溶液清洗,并且使用去离子水清洗,以备下次使用。在很多情况下,探针和样品杯的清洗所需时间远大于测试时间。为了避免清洗过程的时间消耗,可以使用光学测量法,移液枪头用后即可抛弃。

在测量过程中是否需要控温

对于很多种材料来说,表面张力大小受温度影响。如果是这种情况,控温是必须的。例如,如果研究在洗衣过程中表面活性剂的性质,那么在表面张力测量过程中需要控温。

另一方面,对于生物类样品,为取得精确结果需将温度控制在37。通常表面张力的数值应标明测试温度。光学法的Theta设备和力学法的Sigma设备均能够控温,但Sigma控温更为便捷。

在测量过程中是否要控制压力

在一些应用中,尤其是在原有开采过程中,压力起到重要作用。由于表面和界面张力与压力有关,因此针对该类样品需要在特定的压力条件下测试。Theta高压附件能够满足温度和压力控制。

是否需要测量其他参数

光学法的Theta和力学法的Sigma均能够在测试表面和界面张力两种指标外还能够测定其他指标。如果上述两种方法均适合您的样品测试,您可能需要考虑其他测量指标对您是否有用。如果经常测定表面活性剂类样品可能需要临界胶束浓度测试,临界胶束浓度浓度可在力学法的Sigma设备中实现测试。接触角也可通过张力类仪器测试。然而光学法是最适接触角测定方法。光学法的Theta设备还可配置震荡滴模块,满足界面流变测量,对于发泡材料和乳胶类材料来讲该参数十分重要。

总结

针对您应用好的测量方法取决于样品特性和目标测试条件。同时也需要考虑是否需要其他参数测量,并且未来是否会有新的应用需求。如表3所示,列出了不同样品和不同设备的最适测量方法。

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