不同种类杂质对液体表面张力系数的影响

李艳琴，张宏剑

(大连大学 物理科学与技术学院，辽宁 大连116622)

0 引 言

液体的表面张力是由于液体表面层分子受力不对称所致，表面层内分子受到本相分子的作用，另一方面又受到性质不同的另一相分子的作用，导致液体表面层内分子的球对称性被破坏而受到指向液体内部的合力作用，宏观上表现为液体的表面像一层张紧的弹性膜有自行收缩的趋势［1-2］，这种收缩力便称为液体的表面张力［3］。表面张力系数是描述表面张力大小的参量，在建筑行业、医学、工业等行业中表面张力起着非常重要的作用，如表面张力对混凝土断裂能及其应变软化的影响［4］，对乳胶漆及其漆膜性能的影响［5］等。影响表面张力系数大小的杂质大致可分为三类［6］，第一类为无机盐溶液，当溶质的浓度增加时，溶液的表面张力系数增加。欧阳跃军［7］采用最大气泡压力法测量了不同浓度无机盐水溶液的表面张力系数，发现无机盐水溶液的表面张力系数随浓度的增加而增大。第二类为非离子型的有机物，如短链脂肪酸、醇、醛类的水溶液，当溶质的浓度增加时，溶液的表面张力系数降低［8］。第三类为表面活性剂，在液体中加入少量的表面活性剂就能显著地降低液体的表面张力系数，随着浓度的增加，表面张力系数变化很小［9］。本文测量了水、食盐水、肥皂水和洗衣粉水4 种不同溶液的表面张力系数，利用计算机实时在线采集了4 种液体拉脱过程中电压随时间的变化曲线。

1 实验方法

使用新型液体表面张力系数测试仪测量液体的表面张力系数，实验装置如图1 所示，该仪器采用了自动升降装置，避免手动旋转带来的误差［10］。拉脱法［11］已经使用了先进的传感器技术，该力敏传感器［12］利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术把微小力通过一定的数学关系转换成电压值，实现了非电学量的电学测量。为了便于观测输出的电压信号，将力敏传感器输出的电压经AD 转换器变为数字信号，在单片机的控制下，通过通信接口与上位机通信，完成实验数据的采集，在计算机操作界面上可得到整个拉脱过程电压值的变化情况。输出电压与拉力成正比，即

式中:U 为输出电压;F 为力敏传感器所受拉力;B 为力敏传感器的灵敏度。

图1 新型液体表面张力系数测试仪

将吊环浸没于待测液体中，升降装置匀速拉起吊环直至其脱离液面。图2 为吊环某一过程受力情况，吊环受力平衡方程为

式中:F 为吊环所受拉力;mg 为吊环的重力;f1和f2为吊环内外表面液体的表面张力;θ 为表面张力与竖直方向的夹角。

图2 吊环某一过程受力分析图

液膜拉断前瞬间f1和f2完全竖直向下，θ =0°，此时即可根据拉力和重力得到液体的表面张力。根据表面张力的定义式可得:

液膜拉断前瞬间的受力平衡方程为

联立式(1)～(5)可得

式中:F1、F2为液膜拉断前后瞬间吊环所受拉力;D1、D2分别为吊环的内外径;U1和U2液膜拉断前后瞬间力敏传感器输出的电压值;α 为液体的表面张力系数。

2 实验结果

使用Origin 软件对力敏传感器定标数据进行拟合，拟合直线如图3 所示，可得力敏传感器灵敏度B =7.260 V/N。

图3 力敏传感器定标拟合图

在20 ℃时，分别测量了纯净水和浓度为1. 50 g/ml的食盐水、肥皂水和洗衣粉水的表面张力系数，根据计算机实时在线纪录的数据结合曲线图找到液膜拉破前后瞬间的电压值，根据式(6)可计算得到不同溶液的表面张力系数，如表1 所示。测量得20 ℃时纯净水的表面张力系数测量值为73.11 mN/m，理论值为72.75 mN/m，测量相对误差为0.4%，说明该仪器的测试误差较小。食盐水的表面张力系数大于纯净水的表面张力系数，食盐属于无机盐，无机盐水溶液的表面张力系数随浓度的增加而增大。肥皂水和洗衣粉水的表面张力系数远小于纯净水的表面张力系数，这主要是由肥皂水和洗衣粉水的性能决定的。肥皂是一种长链的脂肪酸碱金属盐，如脂肪酸钠、脂肪酸钾，它们通常由天然油脂经过碱液(如氢氧化钠水溶液)皂化制得，一般需要将表面活性剂添加到以肥皂为基剂的配方中，可有效降低体系的pH 值［13］。洗衣粉主要由助剂和表面活性剂组成，助剂包括三聚磷酸钠、碳酸钠、硫酸钠、羟甲基纤维素钠等，表面活性剂有烷基磺酸钠、烷基苯磺酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚、环氧乙烷和环氧丙烷的共聚物等［14］。肥皂和洗衣粉都含有表面活性剂，正是由于表面活性剂的加入使两者的表面张力系数降低。

表1 不同溶液的表面张力系数

3 液膜拉脱过程分析

利用计算机实时在线采集了不同溶液液膜拉脱过程电压随时间的变化曲线，如图4 所示。根据受力情况可将液膜拉脱过程分为6 个阶段［15］，液膜拉脱过程分析流程图如图5 所示，记录fg 阶段液膜破裂前后瞬间的电压U1和U2，即可求得溶液的表面张力系数。比较图4 可以发现，不同溶液在ef 阶段的电压变化情况不同。从图4(c)和(d)可以看到，肥皂水和洗衣粉水在ef 阶段存在一段电压平缓变化的kf 阶段，k 点为转折点，ek 阶段与纯净水和食盐水的电压变化趋势相同，kf 阶段并未出现在纯净水和食盐水中，主要是因为两者表面张力系数较大，当拉脱到一定程度时，液膜很快破裂。对肥皂水和洗衣粉水的ef 阶段分为两部分进行分析:ek 阶段θ 逐渐变小，液膜逐渐变薄，根据

拉力逐渐减小，4 种溶液情况相同;kf 阶段只出现在肥皂水和洗衣粉水中，从k 点开始，电压变化趋于平缓，持续一段时间后液膜破裂，这主要是因为表面活性剂的加入使溶液的表面张力系数减小，液体分子与分子之间的作用力减弱，宏观表现为拉脱的液膜更长，液膜在空气中会存在一段时间，即是电压变化平缓的阶段。

图4 拉脱过程中电压值随时间的变化曲线

4 结 语

在20 ℃时分别测量了纯净水和浓度为1.50 g/ml的食盐水、肥皂水和洗衣粉水的表面张力系数。纯净水的表面张力系数测量值为73.11 mN/m，理论值为72.75 mN/m，测量相对误差为0.4%，说明该仪器的测试误差较小。食盐水的表面张力系数大于纯净水的表面张力系数，食盐属于无机盐，无机盐水溶液的表面张力系数随浓度的增加而增大。肥皂水和洗衣粉水的表面张力系数远小于纯净水的表面张力系数，主要原因是肥皂水和洗衣粉水中的表面活性剂降低了溶液的表面张力系数。利用计算机实时在线采集了不同溶液液膜拉脱过程电压随时间的变化曲线，根据受力情况可将液膜拉脱过程分为6 个阶段，不同溶液在ef 阶段的电压变化情况不同。肥皂水和洗衣粉水在ef 阶段存在一段电压平缓变化的kf 阶段，持续一段时间后液膜破裂，这主要是因为表面活性剂的加入使溶液的表面张力系数减小，液体分子与分子之间的作用力减弱，宏观表现为拉脱的液膜更长，液膜在空气中会存在一段时间;纯净水和食盐水中没有出现电压变化平缓的阶段，主要是因为两者表面张力系数较大，当液膜拉脱到一定程度时，液膜很快破裂。

图5 液膜拉脱过程分析流程图

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