《高分子復(fù)合材料》課件-4.16界面張力法

界面張力法

表面張力是一種物理效應(yīng)，它使得液體的表面總是試圖獲得最小的、光滑的面積，就好像它是一層彈性的薄膜一樣。其原因是液體的表面總是試圖達(dá)到能量最低的狀態(tài)。由于球面是同樣體積下面積最小的幾何形狀，因此在沒有外力的情況下（比如在失重狀態(tài)下），液體在平衡狀態(tài)下總是呈球狀。表面張力的存在使得一表面/界面兩邊的壓力不再相同，這一壓力差的大小取決于界面張力及屆面的曲率，可用楊-拉普拉斯（Young-Laplace）公式來描述：圖4.16-1液體的表面/界面張力可直接測量。測量的方法大多基于對表面/界面施加一外力，從而引起其變化，通過測量施加的力和/或其變化的程度，就可計算出表面/界面張力的值。表面/界面張力的測量方法可根據(jù)直接測量的物理量分為：1、力測量法2、壓力測量法3、界面形狀分析法力測量法：

通常是運(yùn)用一探針使其與待測的界面接觸，然后通過一天平來測量施加/作用在探針上的力。為了保證界面在探針表面上的潤濕性，探針通常由金屬（如Platinum）制成。常見的方法有：1、掛環(huán)法（DuNouyRingmethod）：

這是測量表面張力的經(jīng)典方法，它甚至可以在很難浸濕的情況下被使用。用一個初始浸在液體的環(huán)從液體中拉出一個液體膜（類似肥皂泡），同時測量提高環(huán)的高度時所需要施加的力。圖4.16-2當(dāng)?shù)醐h(huán)與液面接觸后，在慢慢向上提升，則因液體表面張力的作用形成一個液柱，如圖所示，這時向上的總拉力F將與此液柱的質(zhì)量相等，也與內(nèi)外兩邊的表面張力之和相等。

隨著吊環(huán)的上升，就可以通過表面張力儀的力敏傳感器上電壓數(shù)值的變化來直觀地感受液體表面張力的變化。圖4.16-3圖4.16-4將一個具有一定厚度的金屬環(huán)浸沒于液體中，并漸漸拉起該環(huán)，當(dāng)它從液面拉脫瞬間傳感器收到的拉力差ΔF為：圖4.16-5圖4.16-6

2、

(WilhelmyPlatemethod)：

這是一種很普遍的測量方法，尤其適用于長時間測量表面張力的測量。測量的量是一塊垂直于液面的平板在浸濕過程中所受的力。

圖4.16-7威廉米平板法圖4.16-8壓力測量法：

是通過測量界面兩邊（兩相）的壓力差，然后運(yùn)用上述的楊-拉普拉斯（Young-Laplace）公式來計算表面張力。常見的方法有：

1、毛細(xì)管升高法：當(dāng)液體與毛細(xì)管管壁間的接觸角

小于90度時（浸潤的），管內(nèi)的液面成凹面，彎

曲的液面對于下層的液體施加負(fù)壓力，導(dǎo)致液面

在毛細(xì)管中上升，直到壓力平衡為止。通過測量

液面升高的高度，及已知毛細(xì)管內(nèi)徑和液體與毛

細(xì)

管管壁間的接觸角（通常默認(rèn)為是0），就可

計算出表面張力。這是一很經(jīng)典及直觀的方法，

毛細(xì)管剛插入水中時，管內(nèi)液面為凹液面，PC=P0,PB<P0,B、C為等高點，但PB<PC

，所以液體不能靜止，管內(nèi)液面將上升，直至PB=PC為止，此時：圖4.16-92、最大氣泡法：泡剛形成時，由于表面幾乎是平的，所以曲率半徑R極大；當(dāng)氣泡形成半球形時，曲率半徑R等于毛細(xì)管半徑r，此時R值最小。隨著氣泡的進(jìn)一步增大，R又趨增大，直至逸出液面。測得了氣泡成長過程中的最高壓力差，在已知毛細(xì)管半徑的情況下就能計算出表面張力。

本方法非常適用于測量表面張力隨時間的變化，所謂的動態(tài)表面張力圖4.16-10界面形狀分析法

是基于對一處于力平衡狀態(tài)的界面的形狀的分析，是一種光學(xué)分析法。1、懸滴法/座滴法：適用于界面張力和表面張力的測量。也可以在非常高的壓力和溫度下進(jìn)行測量。測量液滴的幾何形狀。圖4.16-11用懸滴法（PendantDropmethod）來測量液體的表面和界面張力已有很長的歷史。早在19世紀(jì)末（1882），BashforthandAdams就在楊-拉普拉斯（Young-Laplace）公式的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出了描述一處于靜力（界面張力對重力）平衡時的懸滴輪廓的方程式（Eq.ofBashforthandAdams）：上式中（參見圖1），b為懸滴底端（apex）的曲率半徑，R為懸滴輪廓上一點，p(x,

z)，在紙平面上的主曲率半徑f

為輪廓線上

p(x,

z)點處的切線與x

-

軸的夾角。b

是體系的Bondnumber，在這里往往被稱為液滴的形狀因子，因為它的值直接決定了液滴的形狀（注意：是指形狀，不涉及其大?。﹫D4.16-12座滴法:測量液體的表面和界面張力的原理與懸滴法相同，因為兩者都可用同一Bashforth-Adams方程式將以描述（唯一的差異是液滴本身重力對液滴相內(nèi)壓力的貢獻(xiàn)項前的符號相反）。圖4.16-132、旋轉(zhuǎn)滴法：

可用來測定表/界面張力，尤其適應(yīng)于低范圍（0.1mN/m以下）界面張力的測量。測量的值是一個處于比較密集的物態(tài)狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)的液滴的直徑或總體幾何形狀。3、（液滴）體積法：

非常適用于動態(tài)地測量表/界面張力。測量的值是一定體積的液體分成的液滴數(shù)量。

液滴體積法