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(dāng)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(dāng)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(zhǔn)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(zhǔn)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(dāng)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(dāng)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(zhǔn)確性是比較差的。但盡管如此，數(shù)據(jù)仍然處于相當(dāng)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(dāng)連續(xù)，而且數(shù)據(jù)的波動相當(dāng)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(zhǔn)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(zhǔn)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)