/zh-CN/products-services/accessories /zh-CN/products-services/products

受束座滴法

受束座滴法是一种基于完全对称的座滴轮廓曲率进行的表面张力光学测量方法。

如何通过座滴的轮廓形状测量表面张力

表面张力具有使液体表面收缩的趋势。因此,由于球体在单位体积内具有最小的表面积,零重力下的水滴是球形的。

 

在重力作用下的座滴由于其自身的重量而呈扁平状。重量越大,表面张力越小,与球体或球冠形状的偏差就越大。如果已知液滴的尺寸和密度,可以根据杨-拉普拉斯方程(见下文解释)用光学液滴形状分析法来计算表面张力。

 

座滴法中“受束”的定义是什么?

液滴由于受到 "约束",被迫形成了某种形状。为了基于液滴轮廓测量表面张力,需要一个尽可能大体积同时又是绝对对称的液滴。滴在任意表面上的液滴在超过一定体积后高度将不再增长,并会形成越来越不规则的形状。因此,由此测得的结果并不准确,尤其是对于表面张力低的液体。

 

通过受束座滴法,液滴被分配到一个正圆形的样品基座上,基座的外缘通过锐利地切割,形成了一个湿润的屏障,会使得液滴随体积的增加而变高,并呈现出对称的形状,而不是溢出基座的边缘。这种形状液滴的表面张力可以被非常准确地测定。

采用受束座滴法对水的表面张力进行光学法测量。
采用受束座滴法对水的表面张力进行光学法测量。
既然已经有了测量表面张力的光学方法--为什么我们还需要使用另一种测量方法?

实际上长期以来,表面张力的测量都是采用悬滴法,即通过在液相或气相中的针头悬挂滴液。然而,在某些情况下,受束座滴法则更具有优势。例如,在接触角测量之前,可以不再需要使用额外组件(如液体针头)或改变测试装置的情况下使用表面张力来检验测试液体的纯度。另外,即使是具有较低表面张力的液体也可以用较大体积的液体进行分析,解决了大体积悬滴容易从针头落下的问题。

 

受束座滴法特别适用于熔融固体。样品可以直接在样品平台上熔化,其简化了制备和清洁工作,有利于测量和需要温控的条件。

 

受束座滴法的理论背景是什么?

内外相间的界面张力σ(即空气和液滴之间的表面张力)导致液滴内部压压强不断增大。压力差Δp,表面曲率半径r1和r2和界面张力之间的关系可以用杨-拉普拉斯等式表示:

在重力的影响下,水滴会发生变形,因为由于重量的作用,水滴内部会产生静压,从而影响到曲率半径r1和r2。由于静压与高度有关,液滴界面的曲率也在垂直方向上发生变化。下图以一个悬挂的液滴为例进行说明。

悬滴的曲率图
悬滴的曲率图

在测量中过程中,首先测量视频图像的比例从而确定实际的液滴尺寸。然后从视频图像中确定液滴的轮廓,通过程序改变形状参数(表示为B),直到计算出的液滴轮廓与实际形状相一致。根据空气相和液滴之间的密度差Δρ和调整后的B参数计算表面张力

 

参考文献

Laura M. Y. Yu; James J. Lu; Yawen W. Chan; Amy Ng; Ling Zhang; Mina Hoorfar; Zdenka Policova; Karina Grundke; A. Wilhelm Neumann, Constrained sessile drop as a new configuration to measure low surface tension in lung surfactant systems. In: J Appl Physiol 97 (2004), P. 704-715.