表面张力仪的使用及操作

表面张力仪的使用及操作

1. 工作原理

1.1 表面张力

众所周知，我们可以根据分子间的互相吸引力来解释液体的性质。这种分子间的吸引力就被称之为分子内聚力或称范德华力。而表面张力、界面张力以及相类似的现象就是用来解释分子内聚力的基本物理现象。

具体来说，构成液体的分子在表面上所受的力与本体内的会不相同。在本体内的分子所受的力是对称的、平衡的。而在表面上的分子，受本体内分子吸引而无反向的平衡力。这就是说，它受到的是拉入本体内的力。也就是说，力图将表面积缩小，使这种不平衡的状态趋向平衡状态。热力学的说法是：要将这体系的表面能降至最小，这个力就称为“表面张力”，也说是单位面积上的自由能（J/m2），也就是形成或扩张单位面积的界面所需的最低能量。它的数值和表面张力（N/m）一致。由于习惯，常用表面张力表示表面自由能，它对液体表面的物理化学现象起着至关重要的作用。在日常生活中，早晨荷叶上的露珠、杯子中的弧形水面等均为表面张力现象，如图1。

γL

θ

γS γSL

液体

固体

γS＝γL・cosθ＋γSL Young equation

γS

： 固体表面张力

γSL

： 固/液表面张力

γL

： 液体表面张力

θ ： 接触角

图1 液体表面张力机理图

2.2 白金板法

当感测白金板浸入到被测液体后，白金板周围就会受到表面张力的作用，液体的表面张力会将白金板尽量地往下拉。当液体表面张力及其他相关的力与平衡力达到均衡时，感测白金板就会停止向液体内部浸入。这时候，仪器的平衡感应器就会测量浸入深度，并将它转化为液体的表面张力值。

具体测试过程中，白金板法的测试步骤为：（1）将白金板浸入液体内；（2）在浸入状态下，由感应器感测平衡值；（3）将感应到的平衡值转化为表面张力值，并显示出来。如图2.

バ ネ の平衡值

力

表 面 張

表面张力

力

1) 感测白金板的表面张力将远大于液体的表面张力，以便于液体有效润湿白金板及在板上爬升；

2) 液体会在白金板周围形成一个角度的弧形液面；

3) 表面的分子力发生作用，并将白金板往下拉。As

白

金板感测板

P = mg + Lγ･cosθ – shρg

平衡力 = 白金板的重力 + 表面张力总和 – 白金板受到的浮力

(向上) (向下) (向上)

液体样品

液体样品

m : 白金板的重量

g : 重力（9.8N/ Kg）

L : 白金板的周长

γ: 液体的表面张力

θ: 液体与白金板间的接触角

s : 白金板横切面面积

h : 白金板浸入的深度

ρ: 液体的密度

图 2 白金板法测试表面张力示意图

硬件:

当白金板接触到样品液后，样品液的表面张力会将白金板往下拉。传感器通过平衡器感测到这个力，传到CPU进行处理（图3）。

频谱仪

平衡器

探测白金板

样品台

传感CPU

马达

终端打印机

图 3 白金板法测试系统

软件:

传感器感测到的力传到电脑CPU后，CPU通过一系列的计算，将这个力转化成表面张力值。.

显示和输出装置:

电脑显示器实时输出表面张力值，可以将数据保存在硬盘中，同时也可连接打印机，可立即列印出来。.

1.3 白金环法

白金环法这个称法是因测试部分与液体样品间会形成一个环形而得的。白金环法的测量方法为：（1）将白金环轻轻地浸入液体内；（2）将白金环慢慢地往上提升，即液面相对而言下降，使得白金环下面形成一个液柱，并最终与白金环分离（图 4）。白金环法就是去感测一个最高值，而这个最高值形成于白金环与液体样品将离而未离时。这个最高值转化为表面张力值的精度取决于液体的粘度。

P

其中

P : 作用于白金环向下的力

2r : 白金环（金属丝）的直径

2R: 白金环的内径 (两个金属丝中心间的距离)

2R

2r

表面张力γ=PF

4R

图 4 白金环法测试表面张力示意图

上面等式中的F是一个修正值，它的大小取决于环的直径与液体的性质。这个修正值很重要，因为向下的力并不一直是垂直的，而且随白金环拉起来的液体的状况也很复杂。

一般而言，F值通过Zuidema & Waters等式计算得到：

1PC2R24Ra : 0.7250

4b(Fa)2b : 0.09075 m-1s2

c : 0.04534 – 1.679 r／R

r : 白金金属丝的半径

2R

 : 液体的密度差

相比白金板法，白金环法有以下缺点：

 不易测得高粘度样品的表面张力值；

这主要是由于在白金环内侧上方受到了样品向下的阻力较大

 不易测得随时间变化的表面张力值；

这主要是因为 白金环只能测得环离开液体时那个时间点的表面张力值。

 较难保持仪器的精度；

白金环容易变形，它的不同大小会影响到表面张力的测量。

: 白金环的内径(两个金属丝中心间的距离)

2 测试前准备工作

2.1、仪器前期准备：

2.1.1. 应确保主机已经预热10分钟，即在正式测试前先将主机打开十分钟，等系统稳定后方可使用。本步骤目的是为了使传感器预热平衡。

2.1.2. 使用前应将白金板挂至挂钩上，作好归零处理，方法分为两步：(1)当显示值与零相比差别很大时，先用软件归零。(2)软件归零后再用粗调(显示值大于或小于零超过1mN/m时)和微调(显示值在±1mN/m时)按钮进行归零处理。应确保最后的显示值与零最接近。

2.1.3. 每次测试前应确保白金板及玻璃皿的干净。具体方法为：

(1) 确保白金板干净的方法：在通常情况下先用流水(最好蒸馏水)清洗再用酒精灯烧白金板，当整个板微红时结束(时间为约为20-30秒左右)并挂好待用。

(2) 确保玻璃皿干净的方法：在测试前应将玻璃皿清洗并烘干，测试时应先取被测样品进行预润湿，以保持所测数据的有效性。

(3) 白金板未冷却下来之前请不要将它与任何液体接触，以免弯曲变形影响测值准确性。

2. 测试过程方面：

2.1 当白金板或玻璃皿不干净时，测量值会有所误差，而且再现性较差，数值不一样，所以应力求保持干净。举例而言，比如在测水的过程中使用者将手指轻点水，本仪器立即会显示出一个变化后的值，此点是因为人的手有油，改变了水的表面特性。

2.2 根据物理化学原理，事实上在测试过程中对测值有影响的自然条件有（1）温度；（2）气压。通常而言液体的表面张力随温度的升高而降低。

2.3测量高挥发性液体时应加快测试过程，请在选项中选择“高速”。高挥发性液体在测量时很容易粘着在白金板上，请在做重复性测试前将白金板清洗干净。

2.4 测量时发生蒸发现象时，表面张力值会随时间的变化而升高。

2.5 虽然玻璃皿中被测液体的多少不会影响到测值的准确性，但为了妥善起见，请

确保液体有5mm，约15ml左右。

2.6 添加表面活性剂以作表面张力变化观察时，请确保不要将表面活性剂碰到白金板。

2.7测量过程中样品台的上升或下降均会影响到表面张力值，上升时减小，下降时增加。两者都是误差的表现之一。

3测试步骤

3.1 标准测试方法

先了解一下在脱机模式的信息，下面是在两种不同模式下的屏幕显示，请关注一下X所指示的项目，此项目在两种模式种分别为不同的参数。

开机后在液晶屏上从左至右从上至下分别为

1．T：温度

2．W：传感器即时读数

3．TF：即时张力

4．ATF：最终张力（即修正张力）

5．L 现在显示为P：密度

6．M：模式，配合上下键调节，选择为1～2，模式1为吊片法，模式2为吊环法

7．S：速度，配合上下键调节，选择为1～2

8．TW：触发张力(只在模式1中起作用) ，配合上下键调节，选择为0-7

9．O：中点偏移，配合上下键调节

10．X：在模式1中为吊片宽度，在模式2中为吊环外径平均，配合上下键调节，选择为1～99.99（单位为mm）

说明：屏幕中的箭头是指向当前的选择项目，当屏幕中没有箭头显示时，上下键才能直接控制平台升降。

仪器右侧触摸式键盘如图：

1．，在设置好参数后，按下【测试】键仪器会自动运行至结束，按下【测试】键后立即按【停止】键可以在非测试的情况下半自动调节中点偏移。

2．，按【停止】键可在任何情况下可使仪器停止运动

3．，每按一下【菜单】键，在液晶屏的5～9项参数后面就会有一个箭头指示，此时可用上下键修改此参数，箭头指示在各参数间顺序循环，并加入了一个间

隔，即没有箭头显示的状态，在没有箭头指示的状态中，可以使用上下键和停止键单独运动平台。

4． ，配合【设置】键修改各项参数使用，在非测试状态时上下键可使平台上下运动。按【停止】键停止运动。

5．，在测试结束后按下【打印】键即可打印测试结果

6．，如果参数设置有误，在按下测试键前都可以挽回，按下【退出】键，所有参数恢复至上一次的设定。

3.2 脱机测试：

3.2.1吊片法：

按下set至模式，用上下键选择模式1（吊片法），

按下set跳至速度选择，用上下键选择速度，通常使用2（慢速）

按下set跳至触发张力，用上下键选择，通常使用5（即5mN/m）。在模式2中，我们跳过此选择。

按下set跳至吊片宽度，使用上下键调节数据

最后按下test键，仪器即按吊板法原理自动工作。

待完成测试后按print键即可打印出数据。

3.2.2吊环法：

按下set键至模式，使用上下键选择模式2（吊环法），

按下set跳至速度选择，用上下键选择速度，通常使用2（慢速）

按下set跳至吊环外径平均，用上下键调节数据。与模式1相比，跳过了触发张力选择。

最后按下test键，仪器即按吊环法原理自动工作。

待完成测试后按print键即可打印出数据

说明：

在两种模式中，我们并没有使用调节中点，那是因为在按下test键的时候仪器可以自动调节中点偏移，如有需要的话依然可以人工进行调节。也可以采用半自动的方式即先按下test键后立即按下stop键。

我们也没有用到键盘上的stop键和esc键，在任何情况下，按下stop键都会停止仪器的工作，主要在测试时发生错误时使用。在你选择好参数后，在按下test键后，所有的参数都会自动保存，如果参数输入错误，在按下test键之前，按下esc键，所有参数恢复至上一次的设定。

在后面的使用中，可以只通过选择模式后按test键来运行，仪器会按前一次的参数设置运行。

使用本仪器测量数据十分简单，由于本仪器对取值非常灵敏，故它对测试过程中的干净及温度有一定要求，请严格按注意事项执行，这样才能保证测试过程的人为误差降为最低。

3.3 联机测试步骤

3.3.1 吊片法：

第一步、打开仪器开关，打开电脑，调出（全自动张力仪.EXE）应用程序，主界面如图5所示。

图5 主界面示意图

第二步、在选项菜单中点击“连接”选项，如图6所示，连接计算机与仪器，一般默认使用COM1，有特殊需要可以选择其他COM口。如果连接成功，则屏幕右上角实测数据会不断更新；如果连接失败，会有提示“Connect error！”。

图6 连接界面

第三步、将白金板挂在挂钩上，并在选项菜单中点击“设置…”选项，设置测试模式、白金板周长、触发张力值及中点偏移。如图7所示。注：测量液气界面张力

选择板法表面张力模式，白金板周长影响到测值，一般设置值为24，触发张力值为样品台为控制样品台停止的参数，如果测试表面张力值较低或有粘度时请改变本值，一般而言测量液气界面张力时使用5mN/m。中点偏移为参考参数，一般进行设置，其他参数暂时不要设置。

图7 设置对话框

第四步、调节仪器的粗调和细调旋钮，直到程序屏幕上的重力＝+0.000mN/m。（注意中点的漂移，正确应该为向左旋时重力减小，向右旋时重力增大；如果相反，则应重新调节中点，即将旋钮旋至最左端或者最右端，直到出现向左旋时重力减小，向右旋时重力增大为止）。或者使用软件界面的“清零”按钮进行软件清零。

第五步、将白金板作清洗，步骤为：

镊子夹取白金板，并用流水冲洗，冲洗时应注意与水流保持一定的角度，原则为尽量做到让水流洗干净板的表面并且不能让水流使得板变形；

用酒精灯烧白金板，一般为与水平面呈45度角进行，直到白金板变微红为止，

时间为20－30秒。

注意事项：通常情况为用水清洗即可，但遇有机液体或其他污染物用水无法清洗时请用丙酮清洗或用20%HCL加热十五分钟进行清洗。然后再用水冲洗，烧干即可。

第六步、在样品皿中加入测量液体，擦干样品皿外壁，在升降平台上垫上垫圈，将烧杯置于垫圈上。（注：在取样时，最好用移液管从待测液中部取样，并确保在取样前样品皿的干净度）

第七步、准备就绪后，按“测试”开始记录，仪器会自动绘制整个表面张力值的变化曲线，数据记录完成后将整台曲线显示在屏幕上。可以记录表面张力值，也可以选择文件－>“另存为…”存储实验结果。

第八步、重复性操作的方法为：

按停止键，等表面张力仪样品台下降停止后，重新按测试键测试，看读取值情况。此时不用去理会表面张力仪显示出的残留值。一般情况下如果这个值超过5mN/m时才需要重新作清洗白金板的动作。

3.3.2 吊环法：

第一步、打开仪器开关，打开电脑，调出（ 全自动张力仪 铂金环法.EXE）应用程序，主界面如图8所示。

图8 主界面示意图

第二步、在选项菜单中点击“连接”选项，如图9所示，连接计算机与仪器，如果连接成功，则屏幕右上角实测数据会不断更新；如果连接失败，会有提示“Connect error！”。

图9 连接界面

第三步、在选项菜单中点击“自检”选项，如图10所示。注意：一般仪器与电脑第一次联机使用或者系统重装以后，必须自检。

图10 自检界面

第四步、将白金环挂在挂钩上，并在选项菜单中点击“设置…”选项，设置测试模式、铂环外径、中点偏移和密度差（密度差是界面上两种物质的密度之差，例如测纯水表面张力就是纯水和空气的密度差，测水和苯之间的界面张力就是水和苯的密度差），如图11所示。注释中可以填入用户所需的信息。

图11 设置对话框

第五步、调节仪器的粗调和细调旋钮，直到程序屏幕上的重力＝+0.000mN/m。（注意中点的漂移，正确应该为向左旋时重力减小，向右旋时重力增大；如果相反，则应重新调节中点，即将旋钮旋至最左端或者最右端，直到出现向左旋时重力减小，向右旋时重力增大为止）。或者使用软件界面的 “清零”按钮进行软件清零。

第六步、将白金环作清洗，步骤为：

1 镊子夹取白金环，并用流水冲洗，冲洗时应注意与水流保持一定的角度，原则为尽量做到让水流洗干净环的表面并且不能让水流使得环变形；

2 注意事项：通常情况为用水清洗即可，但遇有机液体或其他污染物用水无法清洗时请用丙酮清洗或用20%HCL加热十五分钟进行清洗。然后再用水冲洗，烧干即可。

第七步、在样品皿中加入测量液体，擦干样品皿外壁，在升降平台上垫上垫圈，将烧杯置于垫圈上。（注：在取样时，最好用移液管从待测液中部取样，并确保在取样前样品皿的干净度）

第八步、根据平台的高低，选择平台升高的范围。选择菜单中点击“设置…”选项，如图11所示。高程控制中有三档可选，平台和叶面较高使用1/4高程，否则使用1/2或全高程。如果测试过程中，还不能使白金环浸入液面，请增加垫块。

第九步、准备就绪后，按“测试”键开始记录，仪器会自动绘制整个表面张力值的变化曲线，数据记录完成后将整台曲线显示在屏幕上。可以记录表面张力值，也可以选择文件－>“另存为…”存储实验结果。

第十步、重复性操作的方法为：

按测试键重新测试，看读取值情况。此时不用去理会表面张力仪显示出的残留值。一般情况下如果重力值超过0.5mN时才需要重新作清洗白金环的动作。

3. 实训

1 白金板法测试蒸馏水，甲苯和乙醇的表面张力。

2 白金环法测试蒸馏水，甲苯和乙醇的表面张力。

3. 不同温度下蒸馏水的表面张力。