表面张力测量

表面张力由液体分子间的粘结力产生。在整体中，分子之间在各个方向上平等地相互作用。然而，在表面，分子并不是四面都有相同的邻居。因此，一个向内的合力将分子拉向本体。这就产生了一种叫做表面张力的性质。表面张力有多高，取决于分子间相互作用的类型。例如，水表面张力是高的，因为水分子之间通过氢键相互作用氢键相对较强。

表面张力和界面张力有几种不同的单位;通常使用mN/m(相当于dynes/cm)。

表面张力测量广泛应用于许多工业领域因为它有直接的影响涂料配方的传播而且已经习惯了表面活性剂溶液的特征等等。

表面张力的测量可以用力张力计．这些仪器是基于测量施加在位于液-气或液-液界面的探针上的力。探针连接到一个非常灵敏的天平，感兴趣的液体界面与探针接触。当探针与液体表面相互作用时，天平所测得的力可用于计算表面张力。这种力取决于以下因素:探头的大小和形状、探头与液体的接触角、液体的表面张力。探头的大小和形状很容易控制。探针通常由铂制成，这有助于确保探针与被研究液体之间的零接触角。常用的探针有两种配置;du Noüy环还有威廉盘子。当样品体积有限时，也可以用金属棒代替威廉板。

杜Noüy环法

该方法利用铂环作为探针。通过移动放置液体容器的工作台，将环淹没在界面下方。浸入后，级高度逐渐降低，环最终通过界面，产生半月板状液体。如果容器进一步降低，最终半月板将从环撕裂。在此事件之前，半月板的体积(因此施加的力)经过最大值，并在实际撕裂事件之前开始下降。

表面张力的计算是基于最大力的测量。环的浸入深度和环在经历最大拉力时被提升的水平与这项技术无关。最初的计算是基于一个无限直径的环(或线)，没有考虑由于环的一侧接近另一侧而被拉起的多余液体。流体直接在环下的部分不是由于表面张力，而是由于毛细管力。然而，这种液体有助于平衡给出的力读数，从而将测量的表面张力值增加约7%。如今，自动软件计算通常使用修正因子来减去和解释这些多余的液体。当使用校正因子时，必须知道液体的密度，或者在界面张力测量两种液体之间的密度差时。

威廉板法

这种方法使用粗糙的铂板作为探针。这种技术的计算是基于与液体接触的完全湿润的板的周长。在这种方法中，探头相对于表面的位置是重要的。当液体表面与探针接触时，仪器将通过记录探针上的力变化来检测准确的接触时刻。因此，这个位置将被标记为“零浸泡深度”。然后将板浸入到低于此值的设置深度(通常是进入界面几毫米)。当钢板稍后回到零浸泡深度时，力被记录下来。影响威廉板的力可以写成

F =γ_lPcosθ,

，其中γ_l为液体的表面张力，P为平板的周长(P=2w + 2t)， θ为平板与液体的接触角。假设完全润湿时，接触角为0,Cosθ = 1。表面张力可计算为

γ_l= F / P

威廉板测量也可以在所谓的静态或连续模式下进行，威廉板在整个测量周期内保持与液体接触。

铂杆

上述两种方法都需要使用相对大量的液体(通常在10毫升以上)来确保探针完全润湿。可以使用直径更小的样品容器来减少所需的总体积。然而，这是有限度的。当样品容器的边缘和探针彼此靠得太近时，液体和容器边缘之间形成的半月板会影响平衡。为了避免这个问题，用户必须在探针和样品容器侧壁之间留出足够的空间，大约2毫米。

与这些技术中的任何一种一样，测量的精度受到测量探头几何形状的精度的影响。铂棒的测量精度可能低于du Noüy环或Wilhelmy板，这意味着表面/界面张力结果的误差更大。因此，只有当样品的体积有限时，才推荐使用铂棒法。该方法和计算基于与Wilhelmy板法相同的原理。

光学表面张力计用于测量静态和半动态表面张力值。光学张力计的主要部件是相机、滴注液滴的分配器、样品台和在样品台上照射液滴的光源。光学张力计的范围从完全手动系统到全自动仪器。

垂坠法

表面张力测量可以在光学上使用垂坠形状分析．悬在针上的液滴的形状是由力的平衡决定的，其中包括被研究液体的表面张力。

表面或界面张力可以与液滴形状有关

γ = ΔρgR₀/β

，其中γ为表面张力，Δρ为流体之间的密度差，g为引力常数，R₀为顶点处的曲率下降半径，β为形状因子。β可以通过Young-Laplace方程定义为3次无量纲一阶方程。

使用迭代近似的现代计算方法允许找到杨-拉普拉斯方程的解。因此，任何两种密度已知的不混溶流体之间的表面或界面张力都可以确定。对于光学张力测量，液滴的大小是重要的，它应该有撕裂或垂坠的形状。必须注意确保针尖不影响滴形。当测量表面张力时，液体和气体(通常是空气)之间的密度差足够大，5 μl到20 μl之间的体积通常足以提供垂状或撕裂状。在测量界面张力时，密度差和界面张力都会影响所需的体积，以实现垂坠状或撕裂状滴。作为指导原则，密度差越小，所需的体积就越大。

不断上升的泡沫

也有可能在反向测量中测量表面张力。这种方法的名称还不是很确定，但它有时被称为上升气泡或倒垂滴。该方法经常用于测量两种不混溶液体之间的界面张力，但它也可以用于表面张力的测量。在这种方法中，液体被放置在一个透明的试管中，并用钩针制造一个气泡。表面张力的计算方法与标准垂坠实验相同。在表面张力测量中，该方法主要用于需要进行很长的表面张力测量。

大多数情况下，表面张力测量是在环境条件下进行的，但在某些情况下，温度甚至压力都需要控制．

温度控制是可能的光学和力张力计。使用力张力计，量杯可以冷却或加热，以达到所需的温度。温度范围:-20℃~ 200℃。

使用光学张力计，测量是通过将液体置于可冷却或加热的比色皿中完成的。然后使用上升气泡法来定义表面张力值。

使用光学张力计，还可以测量压力下的表面张力。这在提高采收率的应用中尤其重要，因为需要高温高压来评估储层条件下的现象。如果水溶液需要加热到接近或高于100°C，还需要控制压力，以防止气泡形成。

有几个表面张力测量标准．大多数标准使用du Noüy环或威廉板法的力张力计，但也有一个使用垂坠法测量表面张力的标准。