2019-06-10
表面(mian)(mian)張(zhang)力和界面(mian)(mian)張(zhang)力測量(liang)方法(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)眾(zhong)多，很(hen)難(nan)確定哪一個方法(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)為適測量(liang)方法(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)。你有(you)可能聽(ting)(ting)說過力學法(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)和光學法(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)，也可能聽(ting)(ting)過說板(ban)法(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)和環(huan)法(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)，但是(shi)如果(guo)測量(liang)結果(guo)都(dou)一樣(yang)(yang)的(de)(de)話(hua)為何(he)要(yao)有(you)如此(ci)多的(de)(de)測量(liang)方法(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)。由于表面(mian)(mian)張(zhang)力和界面(mian)(mian)張(zhang)力測量(liang)廣泛應用在不(bu)(bu)同領(ling)域，各個樣(yang)(yang)品(pin)間有(you)明顯(xian)的(de)(de)不(bu)(bu)同。當(dang)選擇測量(liang)方法(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)時，需(xu)要(yao)考慮(lv)樣(yang)(yang)品(pin)和應用方向。
在這篇應(ying)用文章中，我們會(hui)提供方(fang)法(fa)選擇的(de)工具。通過(guo)針(zhen)對樣品和應(ying)用方(fang)向的(de)提問，能(neng)夠確定哪種方(fang)法(fa)適合測試。
快速瀏(liu)覽測(ce)量方法(fa)
常用的表面張力(li)和界面張力(li)的測量(liang)方法(fa)(fa)為環法(fa)(fa)、板法(fa)(fa)和懸(xuan)滴法(fa)(fa)，前兩種是力(li)學(xue)法(fa)(fa)，后一種是光(guang)學(xue)法(fa)(fa)。
力(li)學(xue)法是測量(liang)氣體(ti)(ti)(ti)和液(ye)(ye)體(ti)(ti)(ti)或液(ye)(ye)體(ti)(ti)(ti)和液(ye)(ye)體(ti)(ti)(ti)間在探(tan)針(zhen)(zhen)(zhen)位(wei)置處力(li)的(de)(de)變(bian)化。探(tan)針(zhen)(zhen)(zhen)與高精度天平連(lian)接(jie)(jie)，液(ye)(ye)體(ti)(ti)(ti)界面(mian)與探(tan)針(zhen)(zhen)(zhen)接(jie)(jie)觸(chu)(chu)(chu)(chu)。當探(tan)針(zhen)(zhen)(zhen)與液(ye)(ye)體(ti)(ti)(ti)界面(mian)接(jie)(jie)觸(chu)(chu)(chu)(chu)時天平記錄力(li)的(de)(de)變(bian)化來計算表(biao)面(mian)張(zhang)力(li)。力(li)取決于(yu)下述因素：探(tan)針(zhen)(zhen)(zhen)形狀和大(da)(da)小、探(tan)針(zhen)(zhen)(zhen)與液(ye)(ye)體(ti)(ti)(ti)間的(de)(de)接(jie)(jie)觸(chu)(chu)(chu)(chu)角、液(ye)(ye)體(ti)(ti)(ti)的(de)(de)表(biao)面(mian)張(zhang)力(li)。探(tan)針(zhen)(zhen)(zhen)的(de)(de)形狀和大(da)(da)小容易控(kong)制。探(tan)針(zhen)(zhen)(zhen)通常用鉑金制成來保證探(tan)針(zhen)(zhen)(zhen)與樣品(pin)的(de)(de)接(jie)(jie)觸(chu)(chu)(chu)(chu)角接(jie)(jie)近0度。兩種探針在測試(shi)中經常(chang)使用：板和(he)環。當(dang)樣品量有*鉑金棒也可替代板。
表面張力和界面張力也可使用光學法中的(de)(de)懸滴法測量。針頭處(chu)懸掛(gua)的(de)(de)液體形狀取(qu)決于力的(de)(de)平衡，包括測試(shi)液體的(de)(de)表面張力。現代(dai)計算使用迭(die)代(dai)方法計算Young-laplace方程(cheng)的解。因此已(yi)知(zhi)密度的兩種(zhong)不相溶液體的表面和界面張(zhang)力可(ke)以計算出來。
方法選擇問題
為根(gen)據(ju)應用(yong)選擇適測(ce)量方法，有幾件事情需(xu)要提(ti)前考(kao)慮。下面我們總(zong)結(jie)了一些問題。
是否(fou)需要標準化的測量方法(fa)
力(li)學(xue)(xue)法是(shi)標準(zhun)中(zhong)測量表(biao)(biao)面張(zhang)(zhang)力(li)普遍的測試方法，盡(jin)管一些光(guang)學(xue)(xue)法的標準(zhun)仍然存在。張(zhang)(zhang)力(li)測量標準(zhun)清單如表(biao)(biao)1所示。如(ru)果您的(de)應用(yong)需(xu)要(yao)遵循工業(ye)標(biao)(biao)準(zhun)，那么需(xu)要(yao)根據標(biao)(biao)準(zhun)選擇測試方(fang)法(fa)。
樣品體積是否(fou)有限(xian)
在一(yi)些應用中(zhong)，尤其(qi)是生物類樣(yang)品(pin)，由于樣(yang)品(pin)昂貴或難以(yi)獲得(de)等原因(yin)樣(yang)品(pin)量(liang)十分有限。在這種情況下，必(bi)須選擇小樣(yang)品(pin)量(liang)測(ce)量(liang)方法。
在力(li)學法中，所需(xu)樣(yang)(yang)(yang)品(pin)(pin)(pin)(pin)量(liang)在毫升(sheng)范圍。確(que)切的(de)樣(yang)(yang)(yang)品(pin)(pin)(pin)(pin)量(liang)根據(ju)選(xuan)(xuan)擇樣(yang)(yang)(yang)品(pin)(pin)(pin)(pin)杯(bei)(bei)確(que)定，樣(yang)(yang)(yang)品(pin)(pin)(pin)(pin)量(liang)要保證探針*浸入。樣(yang)(yang)(yang)品(pin)(pin)(pin)(pin)杯(bei)(bei)的(de)直徑必須保證探針有(you)足夠的(de)空間。在力(li)學法中，可選(xuan)(xuan)用鉑(bo)金(jin)(jin)棒法測(ce)試小體積(ji)樣(yang)(yang)(yang)品(pin)(pin)(pin)(pin)。鉑(bo)金(jin)(jin)棒直徑小，可選(xuan)(xuan)用小半徑樣(yang)(yang)(yang)品(pin)(pin)(pin)(pin)杯(bei)(bei)，因(yin)此(ci)所需(xu)樣(yang)(yang)(yang)品(pin)(pin)(pin)(pin)量(liang)會比(bi)大樣(yang)(yang)(yang)品(pin)(pin)(pin)(pin)杯(bei)(bei)少。但(dan)是鉑(bo)金(jin)(jin)棒的(de)測(ce)量(liang)精度低于(yu)(yu)板和環。因(yin)此(ci)對(dui)于(yu)(yu)小體積(ji)樣(yang)(yang)(yang)品(pin)(pin)(pin)(pin)，由(you)于(yu)(yu)懸(xuan)滴法測(ce)試僅需(xu)10μL樣品，適合(he)小體積樣品測量。
是否為表面活(huo)性劑類(lei)樣品
測試表面活性劑(ji)類(lei)樣品會有有趣的發現。如表1所示，測(ce)(ce)(ce)(ce)量表(biao)(biao)面活性(xing)劑(ji)樣品的(de)(de)表(biao)(biao)面張力有(you)(you)兩個(ge)標(biao)準可參考。這兩個(ge)標(biao)準分別(bie)使(shi)用板(ban)法和(he)環法測(ce)(ce)(ce)(ce)試(shi)(shi)。然(ran)而環法測(ce)(ce)(ce)(ce)試(shi)(shi)表(biao)(biao)面活性(xing)劑(ji)類樣品有(you)(you)些問題，因為(wei)在(zai)測(ce)(ce)(ce)(ce)量過程(cheng)中(zhong)表(biao)(biao)面的(de)(de)拉扯(che)導致。這意味著由于在(zai)拉扯(che)中(zhong)新的(de)(de)表(biao)(biao)面積持續產(chan)生，導致在(zai)測(ce)(ce)(ce)(ce)試(shi)(shi)過程(cheng)中(zhong)很難達到(dao)平(ping)衡狀(zhuang)態。測(ce)(ce)(ce)(ce)試(shi)(shi)結果(guo)(guo)會比在(zai)平(ping)衡狀(zhuang)態下的(de)(de)結果(guo)(guo)偏大(da)。
另一(yi)方面(mian)，板(ban)(ban)法由(you)于(yu)在測(ce)(ce)試(shi)過程中板(ban)(ban)在測(ce)(ce)試(shi)液體中穩(wen)定因此容易獲得穩(wen)定狀(zhuang)態(tai)。然而板(ban)(ban)的(de)表面(mian)會(hui)產(chan)生吸附(fu)現象，改(gai)變板(ban)(ban)的(de)浸潤性(xing)。由(you)于(yu)上(shang)述原(yuan)因，懸滴法是測(ce)(ce)量(liang)表面(mian)活性(xing)劑樣品表面(mian)張力的(de)適方法，除非一(yi)定要(yao)遵循(xun)特(te)定標準。另一(yi)個選擇力學(xue)法測(ce)(ce)試(shi)的(de)原(yuan)因是能夠自動測(ce)(ce)量(liang)臨界(jie)膠(jiao)束(shu)濃度(du)。
測試液(ye)體的粘度
由于力學法(fa)(fa)測試(shi)是(shi)基(ji)于液(ye)體(ti)與探針間的(de)(de)浸潤(run)性，例如能夠(gou)形成彎月面，因(yin)此(ci)液(ye)體(ti)的(de)(de)粘(zhan)(zhan)度需要(yao)(yao)考(kao)慮在內。當液(ye)體(ti)的(de)(de)粘(zhan)(zhan)度過(guo)高，則(ze)需要(yao)(yao)更(geng)長的(de)(de)時(shi)間潤(run)濕探針。這(zhe)對于板法(fa)(fa)測試(shi)來說是(shi)很容(rong)易實現的(de)(de)，因(yin)為板法(fa)(fa)在測試(shi)過(guo)程中會有很長時(shi)間的(de)(de)平衡時(shi)間。由于粘(zhan)(zhan)性樣(yang)品對環(huan)的(de)(de)拉力很難控制，因(yin)此(ci)環(huan)法(fa)(fa)并不適合(he)粘(zhan)(zhan)度大(da)的(de)(de)液(ye)體(ti)樣(yang)品測試(shi)。盡管懸(xuan)滴法(fa)(fa)可以測定粘(zhan)(zhan)度大(da)于1000mPa*s的樣(yang)(yang)品(pin)，但由于(yu)樣(yang)(yang)品(pin)密度(du)(du)同樣(yang)(yang)對測(ce)(ce)試(shi)有影響，因此并不能確(que)定(ding)粘度(du)(du)樣(yang)(yang)品(pin)的界限(xian)。當考慮測(ce)(ce)試(shi)方(fang)法是否適(shi)合樣(yang)(yang)品(pin)表面(mian)張力測(ce)(ce)試(shi)時，需(xu)要(yao)提前測(ce)(ce)試(shi)下當將樣(yang)(yang)品(pin)倒入(ru)樣(yang)(yang)品(pin)杯時液體(ti)(ti)的流(liu)動狀態。一些常見(jian)液體(ti)(ti)的粘度(du)(du)數值(zhi)可參(can)見(jian)表2。
樣品(pin)污(wu)染(ran)是否容易(yi)清洗
當使(shi)(shi)(shi)用力(li)(li)學(xue)法測定表面和界面張(zhang)力(li)(li)時(shi)，樣品(pin)杯(bei)和探(tan)針的清(qing)潔至關重要(yao)。探(tan)針初要(yao)使(shi)(shi)(shi)用合(he)適的溶(rong)液(ye)潤洗(xi)，然后用酒精燈烘烤，保(bao)證在(zai)(zai)測試(shi)(shi)過(guo)程中探(tan)針有(you)很(hen)好的潤濕性。樣品(pin)杯(bei)可以(yi)用相同(tong)的溶(rong)液(ye)清(qing)洗(xi)，并(bing)且使(shi)(shi)(shi)用去離子水清(qing)洗(xi)，以(yi)備下次(ci)使(shi)(shi)(shi)用。在(zai)(zai)很(hen)多情況下，探(tan)針和樣品(pin)杯(bei)的清(qing)洗(xi)所需時(shi)間(jian)遠大于測試(shi)(shi)時(shi)間(jian)。為了(le)避(bi)免清(qing)洗(xi)過(guo)程的時(shi)間(jian)消(xiao)耗，可以(yi)使(shi)(shi)(shi)用光學(xue)測量(liang)法，移液(ye)槍頭用后即可拋棄。
在測量過程中是否需要控溫
對(dui)于很多種材(cai)料來說(shuo)，表(biao)面(mian)(mian)張力大(da)小(xiao)受(shou)溫(wen)度影響。如(ru)果(guo)是這(zhe)種情況，控溫(wen)是必須的。例如(ru)，如(ru)果(guo)研究(jiu)在(zai)洗(xi)衣過(guo)程中表(biao)面(mian)(mian)活性劑(ji)的性質，那么在(zai)表(biao)面(mian)(mian)張力測量過(guo)程中需要控溫(wen)。
另(ling)一(yi)方面，對于(yu)生物類樣(yang)品，為取(qu)得(de)結果需將溫(wen)度控制(zhi)在37℃。通常表(biao)面張力的數值應(ying)標明測(ce)試溫(wen)度(du)。光(guang)學法的Theta設(she)備和力學法的(de)Sigma設(she)備(bei)均能夠控溫，但Sigma控(kong)溫更為(wei)便捷。
在測量過程中是(shi)否要控制壓(ya)力
在(zai)一些(xie)應(ying)用(yong)中(zhong)，尤其是(shi)在(zai)原(yuan)有開(kai)采過程中(zhong)，壓(ya)力起到重要(yao)(yao)作用(yong)。由于表(biao)面和(he)界面張(zhang)力與(yu)壓(ya)力有關，因此針對該類樣(yang)品(pin)需要(yao)(yao)在(zai)特定的壓(ya)力條件下測試(shi)。Theta高壓附件(jian)能夠滿足溫度和壓力(li)控制。
是否(fou)需要(yao)測量其他參數
光(guang)學法的Theta和力學法的(de)Sigma均能(neng)夠(gou)在(zai)測試(shi)表面(mian)和界面(mian)張力兩種指標(biao)外(wai)還能(neng)夠(gou)測定其他指標(biao)。如(ru)(ru)果上(shang)述(shu)兩種方(fang)法均適合您的樣品(pin)測試(shi)，您可(ke)能(neng)需要考慮其他測量指標(biao)對您是(shi)否有(you)用。如(ru)(ru)果經(jing)常(chang)測定表面(mian)活性劑類樣品(pin)可(ke)能(neng)需要臨(lin)(lin)界膠(jiao)束(shu)濃(nong)度測試(shi)，臨(lin)(lin)界膠(jiao)束(shu)濃(nong)度濃(nong)度可(ke)在(zai)力學法的Sigma設(she)備中實現(xian)測試。接觸角也可通過張力類儀器測試。然而光學法(fa)是(shi)適(shi)接觸角測定方法(fa)。光學法(fa)的Theta設備還可配置震蕩滴模塊，滿足(zu)界面流變(bian)測(ce)量，對于發泡材(cai)(cai)料和乳膠類材(cai)(cai)料來講該參(can)數十分重要。
總結
針對您(nin)應(ying)用(yong)好的測量方法取決(jue)于樣品特性和目標測試(shi)條(tiao)件。同時也需(xu)(xu)(xu)要考慮(lv)是(shi)否需(xu)(xu)(xu)要其(qi)他參(can)數測量，并(bing)且未來是(shi)否會有新的應(ying)用(yong)需(xu)(xu)(xu)求。如表3所(suo)示，列出了不同(tong)樣品(pin)和(he)不同(tong)設備(bei)的(de)適(shi)測量(liang)方法。
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