表面張力和界面張力-如何選擇最適測量方法

表面張力和界面張力測量方法眾多，很難確定哪一個方法為最適測量方法。你有可能聽說過力學法和光學法，也可能聽過說板法和環(huán)法，但是如果測量結(jié)果都一樣的話為何要有如此多的測量方法。由于表面張力和界面張力測量廣泛應(yīng)用在不同領(lǐng)域，各個樣品間有明顯的不同。當選擇測量方法時，需要考慮樣品和應(yīng)用方向。
在這篇應(yīng)用文章中，我們會提供方法選擇的工具。通過針對樣品和應(yīng)用方向的提問，能夠確定哪種方法最適合測試。

快速瀏覽測量方法

最常用的表面張力和界面張力的測量方法為環(huán)法、板法和懸滴法，前兩種是力學法，最后一種是光學法。
力學法是測量氣體和液體或液體和液體間在探針位置處力的變化。探針與高精度天平連接，液體界面與探針接觸。當探針與液體界面接觸時天平記錄力的變化來計算表面張力。力取決于下述因素：探針形狀和大小、探針與液體間的接觸角、液體的表面張力。探針的形狀和大小容易控制。探針通常用鉑金制成來保證探針與樣品的接觸角接近0度。兩種探針在測試中經(jīng)常使用：板和環(huán)。當樣品量有限時鉑金棒也可替代板。
表面張力和界面張力也可使用光學法中的懸滴法測量。針頭處懸掛的液體形狀取決于力的平衡，包括測試液體的表面張力�，F(xiàn)代計算使用迭代方法計算Young-laplace方程的解。因此已知密度的兩種不相溶液體的表面和界面張力可以計算出來。

方法選擇問題

為根據(jù)應(yīng)用選擇最適測量方法，有幾件事情需要提前考慮。下面我們總結(jié)了一些問題。
是否需要標準化的測量方法
力學法是國際標準中測量表面張力最普遍的測試方法，盡管一些光學法的標準仍然存在。張力測量標準清單如表1所示。如果您的應(yīng)用需要遵循工業(yè)標準，那么需要根據(jù)標準選擇測試方法。
樣品體積是否有限
在一些應(yīng)用中，尤其是生物類樣品，由于樣品昂貴或難以獲得等原因樣品量十分有限。在這種情況下，必須選擇小樣品量測量方法。
在力學法中，所需樣品量在毫升范圍。確切的樣品量根據(jù)選擇樣品杯確定，樣品量要保證探針完全浸入。樣品杯的直徑必須保證探針有足夠的空間。在力學法中，可選用鉑金棒法測試小體積樣品。鉑金棒直徑小，可選用小半徑樣品杯，因此所需樣品量會比大樣品杯少。但是鉑金棒的測量精度低于板和環(huán)。因此對于小體積樣品，由于懸滴法測試僅需10μL樣品，最適合小體積樣品測量。
是否為表面活性劑類樣品
測試表面活性劑類樣品會有有趣的發(fā)現(xiàn)。如表1所示，測量表面活性劑樣品的表面張力有兩個標準可參考。這兩個標準分別使用板法和環(huán)法測試。然而環(huán)法測試表面活性劑類樣品有些問題，因為在測量過程中表面的拉扯導(dǎo)致。這意味著由于在拉扯中新的表面積持續(xù)產(chǎn)生，導(dǎo)致在測試過程中很難達到平衡狀態(tài)。測試結(jié)果會比在平衡狀態(tài)下的結(jié)果偏大。
另一方面，板法由于在測試過程中板在測試液體中穩(wěn)定因此容易獲得穩(wěn)定狀態(tài)。然而板的表面會產(chǎn)生吸附現(xiàn)象，改變板的浸潤性。由于上述原因，懸滴法是測量表面活性劑樣品表面張力的最適方法，除非一定要遵循特定標準。另一個選擇力學法測試的原因是能夠自動測量臨界膠束濃度。
測試液體的粘度
由于力學法測試是基于液體與探針間的浸潤性，例如能夠形成彎月面，因此液體的粘度需要考慮在內(nèi)。當液體的粘度過高，則需要更長的時間潤濕探針。這對于板法測試來說是很容易實現(xiàn)的，因為板法在測試過程中會有很長時間的平衡時間。由于粘性樣品對環(huán)的拉力很難控制，因此環(huán)法并不適合粘度大的液體樣品測試。盡管懸滴法可以測定粘度大于1000mPa*s的樣品，但由于樣品密度同樣對測試有影響，因此并不能確定粘度樣品的界限。當考慮測試方法是否適合樣品表面張力測試時，需要提前測試下當將樣品倒入樣品杯時液體的流動狀態(tài)。一些常見液體的粘度數(shù)值可參見表2。
樣品污染是否容易清洗
當使用力學法測定表面和界面張力時，樣品杯和探針的清潔至關(guān)重要。探針最初要使用合適的溶液潤洗，然后用酒精燈烘烤，保證在測試過程中探針有很好的潤濕性。樣品杯可以用相同的溶液清洗，并且使用去離子水清洗，以備下次使用。在很多情況下，探針和樣品杯的清洗所需時間遠大于測試時間。為了避免清洗過程的時間消耗，可以使用光學測量法，移液槍頭用后即可拋棄。
在測量過程中是否需要控溫
對于很多種材料來說，表面張力大小受溫度影響。如果是這種情況，控溫是必須的。例如，如果研究在洗衣過程中表面活性劑的性質(zhì)，那么在表面張力測量過程中需要控溫。
另一方面，對于生物類樣品，為取得精確結(jié)果需將溫度控制在37℃。通常表面張力的數(shù)值應(yīng)標明測試溫度。光學法的Theta設(shè)備和力學法的Sigma設(shè)備均能夠控溫，但Sigma控溫更為便捷。
在測量過程中是否要控制壓力
在一些應(yīng)用中，尤其是在原有開采過程中，壓力起到重要作用。由于表面和界面張力與壓力有關(guān)，因此針對該類樣品需要在特定的壓力條件下測試。Theta高壓附件能夠滿足溫度和壓力控制。
是否需要測量其他參數(shù)
光學法的Theta和力學法的Sigma均能夠在測試表面和界面張力兩種指標外還能夠測定其他指標。如果上述兩種方法均適合您的樣品測試，您可能需要考慮其他測量指標對您是否有用。如果經(jīng)常測定表面活性劑類樣品可能需要臨界膠束濃度測試，臨界膠束濃度濃度可在力學法的Sigma設(shè)備中實現(xiàn)測試。接觸角也可通過張力類儀器測試。然而光學法是最適接觸角測定方法。光學法的Theta設(shè)備還可配置震蕩滴模塊，滿足界面流變測量，對于發(fā)泡材料和乳膠類材料來講該參數(shù)十分重要。
總結(jié)
針對您應(yīng)用的最好的測量方法取決于樣品特性和目標測試條件。同時也需要考慮是否需要其他參數(shù)測量，并且未來是否會有新的應(yīng)用需求。如表3所示，列出了不同樣品和不同設(shè)備的最適測量方法。