何謂表面張力?


分子和液體分子在分子間的作用力試圖將液體的表面區域最小化。如果表面張力指的即是此作用力,那麼施加的力的大小就是像潤濕性這樣的顯著現象。
 
現在先將和大氣接觸的液體用分子來思考。若先關注一大塊(bulk)裡的某一個分子與周圍分子所產生的「分子間作用力」,可發現分子間相互吸引。但如果整體來看的話就沒有相互吸引的狀態,一大塊(bulk)的分子比較會有穩定的狀態。
 
另一方面,如果用分子存在表面(嚴格來說是液體與大氣間的「界面」)來思考的話,不只一大塊(bulk)旁的分子,連大氣中的分子也會產生分子間作用力。但是因為一大塊(Bulk)旁的分子密度壓倒性地高,所以存在表面的分子常常會被吸入一大塊(Bulk)內部。這結果可看出表面產生收縮的張力。這就是「表面張力」(嚴格來說是界面張力)。

 
此外,隨著時間經過,慢慢保持平衡的表面張力稱之為「動態表面張力」。根據威氏平板法,動態表面張力比靜態表面張力還要高、更不容易潤濕。
 
表面張力的測量
 
(1) 威氏平板法 (Wilhelmy plate method or vertical plate method)
當測量物(平板)接觸到液體樣品的表面時,液體會向上潤濕測量物(平板)。這時,沿著測量物(平板)的邊緣會產生表面張力,將測量物(平板)向液體方向拉。我們用這個方法偵測讀取拉力並透過使用對於液體的接觸角為0°的片狀測量物(平板)來確定表面張力。一般最常用的平板材質為白金。
(2) 杜諾依環法 (du Noüy Ring method)
du Noüy法,使用白金材質的環狀物來進行測量,測量表面張力的方法中最具代表、最廣為人知的方法,也被JIS K2241採用。它適用在各種規格上,而且除了表面張力外也可測量Llama長數值。

使用白金環來測量表面張力的方法是,首先將平行掛在液體上面的環沈降到液體裡,接著再將環垂直的慢慢往上拉起。這時在環與水面的中間會形成液膜,對環產生力。將在液膜上施加的力的最大值作為表面張力用下面的公式計算出來:



 
上面公式中的C是修正因素和對應於環的尺寸和液體樣品密度的常數。用白金環法計算表面張力測量時會需要修正因素是因為在環上產生的張力方向和液膜的形狀會影響到表面張力的計算數值。而我們的解析軟體DyneMaster會使用下方Zuidema-Waters 公式自動修正此影響。


(3) Llama長度測量 (Lamella length measurement)
所謂的Llama長度是作為液膜可以拉長到什麼樣程度的指標。其測量方法和du Noüy法測表面張力的方法相同。通常用來測量液膜的延伸長度、液膜或塗膜的切斷的難易程度、泡沫的穩定性和消泡性情況。
 
(4) 懸滴法 (Pendant Drop Method)
當液滴從細管的尖端垂直方向擠出,液滴會懸掛在細管的尖端,我們將這懸掛的液滴稱之為「懸滴」。
由於液滴的形狀決於液體擠出來的量、密度、表、界面張力,所以透過分析懸滴的形狀我們可以得到表、介面張力。懸滴法適用於不容易潤濕平板的高黏稠度液體、熔融聚合物或測量兩種液體間的界面張力時。
 
[ds/de method]
此方法為透過懸滴的最大直徑(赤道面直徑)de及從懸滴最底端往上到de位置時的懸滴直徑ds計算出表面張力。
 
[Young-Laplace method]
將液滴的輪廓形狀和從針尖擠出的液滴密度的差異值透過影像處理擬合Young-Laplace方程式來計算表面張力,透過擬合理論的曲線和Young-Laplace輪廓曲線的數百點座標點可以得到精密的界面張力值。


動態表面張力測量
表面張力隨著時間的推移而讓表面張力慢慢保持平衡,稱為動態表面張力。透過Wilhelmy Method可發現動態表面張力比靜態表面張力更高且濕度較低。

最大泡壓法 (Maximum Bubble Pressure method)
我們在液體中插入細管(以下稱為探針)導入氣流,偵測產生氣泡時的最大壓力(最大泡壓),計算出表面張力的方法。
當氣泡從液體中的探針連續排出時,探針中的壓力會週期性的變化→①〜④
當氣泡的曲率半徑R和探針尖端的半徑r相同時,壓力會變最大→③
之後氣泡會突然膨脹減壓→④
從最大壓力來計算出表面張力的方法為最大泡壓法。
從①開始到③的時間稱為生命週期(氣泡的生命週期),指的是從探針尖端裡產生新界面時到最大泡壓的這段時間。
在生命週期所吸附的界面活性劑能左右表面張力。