接觸角測量儀之懸滴法測量動態(tài)表面張力的實例數(shù)據(jù)

在下面的測量中我們采用了SurfaceMeter的動態(tài)速度錄像模式，結(jié)合高精度自動注射泵，高速度相機，和全自動錄像分析計算功能以及全輪廓懸滴分析法，測量了某一表面活性劑水溶液的動態(tài)表面張力-時間曲線（測量在室溫下進行）。

· 動態(tài)速度錄像模式容許在一個錄像過程中不斷地改變錄像的速度，這尤其適合動態(tài)表面張力的測量，因為起始時（表面剛形成時）表面張力隨時間的變化速度很快，這時就要求以Z高的速度進行記錄；隨著時間的推遲，變化速度迅速下降，錄像的速度也可以相應(yīng)地不斷減小，直至到達希望考察的終測量時間點。

· 采用的自動注射泵具有相當寬的加液速度范圍，不但容許非常緩慢的加液速度（如1μl/min），而且也具備非常高的加液速度（20.000μl/min），后者使得液滴或氣泡可以在極短的時間內(nèi)形成。

· 高速相機（這里采用的USB3相機的Z高速度為230fps@1280x1024）使得測量的短時間間隔大大減小，即使對變化非常迅速的過程也能夠提供相當可觀的時間分辨率和細節(jié)。

· SurfaceMeter軟件所采用的全輪廓懸滴分析計算法，使得軟件可以從懸滴開始形成的早時刻起，就能通過對其圖像的分析計算獲得準確可靠的表面張力值。

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圖-1給出了懸滴開始形成的首15幅圖像。從這些圖像可以非常準確地確定懸滴開始形成的時間點 - 0時間點（不確定性小于二副圖像間的時間間隔）。軟件可以從第3/4幅圖像開始分析計算對應(yīng)時間點的表面張力值以及其他相關(guān)參數(shù)（如液滴體積/表面積等）。圖-2顯示了對整個錄像的進行分析計算后得到的結(jié)果，同時給出了懸滴的表面積隨時間的變化。

圖-1：液滴形成時的初圖像：從左到右/從上到下，二副圖像之間的時間間隔為6ms

圖-2：表面張力-時間變化曲線

從圖中可以看出，體系的表面張力在表面剛剛形成時呈現(xiàn)出相當顯著的時間依賴性，從幾乎純水的表面張力值迅速地下降，到約400s后，開始進入緩慢下降階段，慢慢趨向平衡值。

為了更好地分析表面剛剛形成時刻段的變化細節(jié)，圖-3給出了起始1秒內(nèi)的變化曲線。首先從圖中可以清洗地看出，液滴的表面積約在0.5s后接近終值，也即液滴形成過程在此時刻已經(jīng)基本完成。其次，得到的表面張力值在0.02-0.03s之前波動較大，因為此時所對應(yīng)的懸滴尺寸還相當微小（遠遠偏離其可以達到的大許可值），所以這些數(shù)據(jù)的準確性是比較差的。但盡管如此，數(shù)據(jù)仍然處于相當合理的區(qū)域。從約0.03s起，曲線所呈現(xiàn)的整個走向就相當連續(xù)，而且數(shù)據(jù)的波動相當平穩(wěn)，充分表明了獲得的數(shù)據(jù)可靠性。在這段時間內(nèi)，表面張力雖然隨著時間不斷地下降，但呈現(xiàn)出代表不同速率的 “階段 (stages)”。

圖-4把圖-2的結(jié)果分成二個階段，以不同的時間尺度表達出來，這樣不但可以看清楚起始階段的迅速變化，也可以同時看到變化過程的整體。在起始的4秒內(nèi)體系的表面張力值從約72mN/m迅速下降到約55mN/m，下降幅度約17mN/m；而在接下來的約400秒，表面張力值總共只下降了約3mN/m，到約52mN/m。其后的平衡值為約51.6mN/m。

圖-3：表面張力-時間變化曲線: 起始1秒內(nèi)

圖-4：表面張力-時間變化曲線: 分階段表達

從上面的測量可以看出，懸滴法非常適合動態(tài)表面張力的測量，其短的可測量時間點約在30-50ms左右，長時間端則無限制。如果把懸滴的形成時間轉(zhuǎn)換成有效界面壽命（effective surface age），并按照1/2-1/3經(jīng)驗規(guī)則，那么對應(yīng)的短可測量有效界面壽命約為20ms，這已經(jīng)非常接近傳統(tǒng)的大氣泡壓力法。采用懸滴法進行動態(tài)表面張力測量的優(yōu)點還在于：可以準確地同時測定表面積隨時間的變化（見上面的圖），從這一變化曲線，可以準確地計算出對應(yīng)的有效界面壽命，而這是傳統(tǒng)的大氣泡壓力法無法實現(xiàn)的。( 本文內(nèi)容得到授權(quán)所有者的授權(quán)許可)