何谓表面张力?

分子和液体分子在分子间的作用力试图将液体的表面区域最小化。如果表面张力指的即是此作用力,那么施加的力的大小就是像润湿性这样的显著现象。

现在先将和大气接触的液体用分子来思考。若先关注一大块(bulk)里的某一个分子与周围分子所产生的「分子间作用力」,可发现分子间相互吸引。但如果整体来看的话就没有相互吸引的状态,一大块(bulk)的分子比较会有稳定的状态。

另一方面,如果用分子存在表面(严格来说是液体与大气间的「界面」)来思考的话,不只一大块(bulk)旁的分子,连大气中的分子也会产生分子间作用力。但是因为一大块(Bulk)旁的分子密度压倒性地高,所以存在表面的分子常常会被吸入一大块(Bulk)内部。这结果可看出表面产生收缩的张力。这就是「表面张力」(严格来说是界面张力)。
此外,随着时间经过,慢慢保持平衡的表面张力称之为「动态表面张力」。根据威氏平板法,动态表面张力比静态表面张力还要高、更不容易润湿。

表面张力的测量

(1) 威氏平板法 (Wilhelmy plate method or vertical plate method)
当测量物(平板)接触到液体样品的表面时,液体会向上润湿测量物(平板)。这时,沿着测量物(平板)的边缘会产生表面张力,将测量物(平板)向液体方向拉。我们用这个方法侦测读取拉力并透过使用对于液体的接触角为0°的片状测量物(平板)来确定表面张力。一般最常用的平板材质为白金。
(2) 杜诺依环法 (du Noüy Ring method)
du Noüy法,使用白金材质的环状物来进行测量,是是测量表面张力的方法中最具代表、最广为人知的方法,也被JIS K2241采用。它适用在各种规格上,而且除了表面张力外也可测量Llama长数值。

使用白金环来测量表面张力的方法是,首先将平行挂在液体上面的环沉降到液体里,接着再将环垂直的慢慢往上拉起。这时在环与水面的中间会形成液膜,对环产生力。将在液膜上施加的力的最大值作为表面张力用下面的公式计算出来:

上面公式中的C是修正因素和对应于环的尺寸和液体样品密度的常数。用白金环法计算表面张力测量时会需要修正因素是因为在环上产生的张力方向和液膜的形状会影响到表面张力的计算数值。而我们的解析软体DyneMaster会使用下方Zuidema-Waters 公式自动修正此影响。

(3) Llama长度测量 (Lamella length measurement)
所谓的Llama长度是作为液膜可以拉长到什么样程度的指标。其测量方法和du Noüy法测表面张力的方法相同。通常用来测量液膜的延伸长度、液膜或涂膜的切断的难易程度、泡沫的稳定性和消泡性情况。

(4) 悬滴法 (Pendant Drop Method)
当液滴从细管的尖端垂直方向挤出,液滴会悬挂在细管的尖端,我们将这悬挂的液滴称之为「悬滴」。
由于液滴的形状决于液体挤出来的量、密度、表、界面张力,所以透过分析悬滴的形状我们可以得到表、介面张力。悬滴法适用于不容易润湿平板的高黏稠度液体、熔融聚合物或测量两种液体间的界面张力时。

[ds/de method]
此方法为透过悬滴的最大直径(赤道面直径)de及从悬滴最底端往上到de位置时的悬滴直径ds计算出表面张力。
[Young-Laplace method]
將液滴的輪廓形狀和從針尖擠出的液滴密度的差異值透過影像處理擬合Young-Laplace方程式來計算表面張力,透過擬合理論的曲線和Young-Laplace輪廓曲線的數百點座標點可以得到精密的界面張力值。
动态表面张力测量
表面张力随着时间的推移而让表面张力慢慢保持平衡,称为动态表面张力。透过Wilhelmy Method可发现动态表面张力比静态表面张力更高且湿度较低。
最大泡压法 (Maximum Bubble Pressure method)
我们在液体中插入细管(以下称为探针)导入气流,侦测产生气泡时的最大压力(最大泡压),计算出表面张力的方法。

当气泡从液体中的探针连续排出时,探针中的压力会周期性的变化→①〜④
当气泡的曲率半径R和探针尖端的半径r相同时,压力会变最大→③
之后气泡会突然膨胀减压→④
从最大压力来计算出表面张力的方法为最大泡压法。
从①开始到③的时间称为生命周期(气泡的生命周期),指的是从探针尖端里产生新界面时到最大泡压的这段时间。
在生命周期所吸附的界面活性剂能左右表面张力。