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動態表面張力的測定：泡壓法的優勢與局限性

來源：時間：2025-04-21 09:58:39 瀏覽：3985次

動態表面張力的測定：泡壓法的優勢與局限性

表面張力是液體表面相鄰兩部分之間的拉力，它在許多工業和科學領域都扮演著至關重要的角色。在噴涂、發泡、清潔、印刷、乳化或涂層等過程中，表面張力的變化直接影響著產品的質量和性能。動態表面張力作為表面張力的一種特殊形式，與靜態表面張力不同，它隨時間而變化，反映了流體動力學和界面化學的復雜相互作用。因此，準確測定動態表面張力對于理解這些過程的機理、優化工藝條件以及開發新產品都具有重要意義。泡壓法作為一種常用的測定動態表面張力的方法，具有其獨特的優勢和局限性。

泡壓法測定動態表面張力的原理

泡壓法，尤其是最大泡壓法，是一種測動態表面張力的有效方法。其原理基于楊-拉普拉斯方程，該方程描述了球形氣泡的內壓（拉普拉斯壓力）與曲率半徑r和表面張力σ之間的關系。當在液相中的毛細管頂端產生氣泡時，曲率先增加然后減小，其中會有最大壓力的產生。當曲線半徑同毛細管半徑相等時，此時曲率最大也對應著最大的壓力。如果毛細管半徑已知，就可以通過最大壓力pmax計算出表面張力。

具體來說，當毛細管浸入到液體中時，由浸沒深度和液體密度導致的靜壓P0必須從測量壓力中除去。測量結果對應的是一定表面年齡下的表面張力，表面年齡為從氣泡開始產生到最大壓力之間的時間。通過改變鼓泡速度，可以測出表面張力同表面年齡的關系。這種關系在表面活性劑的使用上起到重要作用，因為在許多過程中由于表面活性劑的低擴散率和吸附率，界面張力可能無法達到平衡值，而泡壓法能夠測量到這種動態變化。

泡壓法的優勢

（一）快速出數

泡壓法能夠快速獲取表面張力數據。例如，一些表面張力儀如KRüSS的BP100，可以在5ms到20萬毫秒的范圍內測出表面張力。在幾十毫秒到幾十秒之間，它可以產生一系列的氣泡，每個氣泡代表一個新界面，每個新界面都有相應的一個表面張力讀數，此過程可得到一系列動態的表面張力值。相比之下，靜態測試方法通常只能測出一個最佳值，且這個值通常在十幾秒或以后產生。快速出數的特點使得泡壓法在需要實時監測表面張力變化的工業生產過程中具有很大的優勢。

（二）無需接觸角

在測量表面張力時，接觸角的測量往往比較復雜，且容易受到多種因素的影響。而泡壓法不需要用到接觸角，這大大簡化了測量流程，降低了測量難度。同時，也避免了因接觸角測量不準確而導致的表面張力測量誤差。

（三）可得到表面張力隨時間變化的曲線

泡壓法可以測量不同表面年齡下的表面張力，從而得到表面張力到平衡時需要一段時間的曲線。從這條動態表面張力曲線（對于surface age）可以知道表面張力到平衡時需要的時間，還可以從該方法推算出液體表面活性劑的擴散系數和吸收系數。簡單地說，就是可以了解表面活性劑分子在液體里跑得快不快，液面多快能形成一層新的膜。這對于研究表面活性劑的性能和作用機制具有重要意義。

（四）應用廣泛

在工業生產中，泡壓法有著廣泛的應用。例如，在金屬零部件進行表面處理或噴涂前，必須保證高度清潔才不會對后續的工序造成影響。為了滿足這些高的清潔度要求，零件的清洗環節必不可少，且要求可靠。這就要求清洗劑的濃度須保持在適當的濃度范圍之內，不能過高，也不能太低。過高會導致產生新的污染，生產成本升高；太低會達不到清洗的要求。只有滿足這些條件才不會對后續的處理工藝造成不利影響。SITA動態表面張力儀測量表面張力是以差壓法為基礎，在測試過程中，氣泡通過插入液面下的毛細管中形成，有一個特殊的傳感器測量氣泡毛細管頂端的壓力。動態表面張力是用最大和最小氣泡壓力差來計算，并使用校準系數K來表示。氣泡壓力用純凈水校準表面張力。標準系數K取決于自動測量器具，不依賴氣泡的壽命。動態表面張力確保了在生產過程中清洗池中表面活性劑達到最佳濃度并在穩定狀態。此方法可節省大量的表面活性劑，從而去掉多余出的漂洗工序。不僅如此，對殘留表面活性劑濃度的測試也可預判清洗質量。通過連續對表面活性劑動態表面張力的監測，清晰可靠地得知清洗池的表活性劑濃度的情況，以此反映清洗池的清洗能力。可根據數據補充適量表面活性劑，保證穩定的清洗效果，從而達到清洗工藝的最優化。

泡壓法的局限性

（一）建造成本和運行維護費用高

泡壓法所使用的儀器設備通常比較復雜，需要高精度的傳感器、控制系統和數據處理軟件等。這使得其建造成本較高。同時，為了保證儀器的正常運行和測量精度，還需要定期進行維護和校準，這也增加了運行維護費用。對于一些小型企業或實驗室來說，可能難以承擔這些費用。

（二）對高密度且體積較大顆粒的去除效果不佳

泡壓法在測量過程中，對于一些高密度且體積相對較大的顆粒（如沙礫等）的去除效果低甚至沒有。這些顆粒可能會堵塞毛細管，影響氣泡的產生和測量結果。因此，在使用泡壓法測量含有較多此類顆粒的液體時，需要先進行預處理，以去除這些顆粒，這增加了操作的復雜性和成本。

（三）對振動敏感

泡壓法對振動非常敏感。在測量過程中，任何微小的振動都可能導致氣泡的形成和破裂過程發生變化，從而影響測量結果的準確性。因此，需要在一個相對穩定的環境中進行測量，這增加了實驗條件的控制難度。

（四）不適用于表面張力隨時間變化明顯的體系

泡壓法是基于測量氣泡在液體中形成至最大壓力時的表面張力，它所得到的是在特定表面年齡下的表面張力值。對于表面張力隨時間變化明顯的體系，最大泡壓時的表面張力不能與平衡狀態時的表面張力對照，因此泡壓法不太適用于這種情況。

（五）難以確保氣泡直徑與毛細管出口處內徑相等

在泡壓法中，氣泡直徑與毛細管出口處內徑相等是保證測量準確性的重要因素之一。然而，在實際操作中，很難確保這一點。氣泡的形成和生長過程受到多種因素的影響，如液體的性質、溫度、壓力、毛細管的材質和內徑等。這些因素都可能導致氣泡直徑與毛細管出口處內徑不相等，從而影響測量結果的準確性。

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