表面活性剂的表(界)面化学性质—表面活性剂表面张力的测定(圆环拉起液膜法)

本方法参照标准QB／T l323一l991。表面张力是指作用于一个表面并指向相内部的张力，它是由表面的分子与表面下的分子间引力所引起的。

表面张力是液体的，尤其是表面活性剂水溶液的一种基本性质。洗涤剂的主要组分是表面活性剂，表面张力亦是洗涤剂水溶液的一种基本性质。

然而，表面活性剂和洗涤剂溶液的表面张力与其应用特性之间尚无简单的联系，所以不能只从表面张力来推测表面活性剂和涤剂溶液的去污、润湿、起泡、乳化力等。该标准规定了用圆环拉起液膜法测定含一种或几种表面活性剂的水溶液或有机溶液表面张力的方法。

该标准适用于测定表面活性剂和洗涤剂溶液的表面张力，也适用于测定除了上述溶液以外的纯液体或溶液的表面张力。

(一)方法概述

将圆环与测量杯中的待测液体表面相接触并拉起液膜，测量垂直作用于圆环，使圆环从此表面脱离所需的最大力。

(二)仪器

(1)张力计，能装圆环，并应包括：

①水平平台  用微调螺丝可使其垂直上下移动；装有千分尺能估计0.1mm的垂直位移；

②测力计  能连续测量作用于测量单元上的力，并具有至少0.1mN／m的准确度；

③仪表  用于指示或记录测力计测量值。

装置应防震避风。整个仪器要用天平罩保护起来，这有利于减小温度变化和尘埃污染。

(2)测量单元

①铂一铱丝圆环，丝直径为0.3mm，圆环的周长通常在40～60mm，用一铂丝镫形环固定在悬杆上(见图1)。

图1铂一铱丝圆环

②测量杯，用来盛待测液体。

测定表面活性剂和洗涤剂溶液的表面张力时，可以用一直径至少8cm的圆筒形皿。

对于纯液体的测定，理想的测量杯是矩形平行六面体小皿，边长至少8cm；这种形状有利于用洁净的玻璃棒或聚四氟乙烯板刮净液体表面。

(三)操作步骤

1.试样测定溶液的配制

(1)配制测定溶液用作溶剂的水应是重蒸水，20℃时水的表面张力至少71mN／m。软木塞和橡皮塞决不能用于制备蒸馏水的蒸馏装置接口中，或用来塞盛水的容器。

(2)溶液的温度应精确控制在±0.5℃之内。

(3)因溶液表面张力随时间而变化，表面活性剂的性质、纯度、浓度和吸附倾向，在这些变化中都起着特殊的作用，很难建议一个标准时效周期，所以需要在一段时间内进行几次测量，作出表面张力对时间的函数曲线，求出其水平部分的位置，即可得到溶液达到平衡状态的时效，能将表面张力值作为时间的函数记录下来的自动化仪器非常适合于这种测量。

(4)溶液表面对于大气尘埃或附近溶剂的蒸汽污染非常敏感，所以不要在进行测定的房间里处理挥发性物品。

(5)建议用移液管从大量液体的中心吸取待测液体的试验份，因为表面可能易受不溶性粒子或尘埃的污染。

2.清洗测量单元

(1)清洗测量杯  当存在硅酮类污垢，不能用硫酸铬酸液、磷酸或过硫酸钾硫酸溶液除去时，可用专门制剂(例如甲苯、全氯乙烯或氢氧化钾甲醇液)来洗涤测量杯。如不存在这些污垢，或已用专门制剂清洗过，可用热的硫酸铬酸液小心洗涤测量杯，然后以浓磷酸[83％～92％(质量分数)]洗涤。

最后用重蒸水冲洗至冲洗液呈中性，重蒸水应是新制备的。

测定前，测量杯需用待测液体冲洗几次。

(2)清洗圆环如需要，用上条中所述的专门制剂来清洗圆环，如不存在需用这类制剂清洗的污垢，或已用这类制剂清洗过，可用热的浓硫酸(ρ201.839g／ml)洗涤圆环，然后用重蒸水冲洗至中性。

避免用手指触摸圆环以及测量杯的内表面。

3.校正张力计

(1)原理通过调整张力计使仪表的指示或记录直接显示毫牛顿每米(mN／m)，圆环法不需作浮力校正。

(2)校准程序可用两种方法进行校准：

①用一系列已知质量的游码，放在圆环上，调节测力计使其平衡，记下刻度盘读数。绘制游码质量倒度盘读数曲线图，该曲线在测力计测量范围内为直线，求出直线的斜率t(g／刻度)。此方法操作虽费时，但是非常准确。

    ②用已知准确表面张力的纯物质校准，这种方法较为快速。如需要按下列“测定”条中叙述的程序，调整张力计，直至观察到的读数与校准液体的已知值一致。

几种纯有机液体的表面张力值在附录B中给出。

4.测定(过程图解见附录C)

(1)张力计水平调节  在平台上放一水准仪，调节仪器底板上的水平调节螺丝，直至平台呈水平。

(2)测定  将盛有待测液体的测量杯放在平台上，并处于圆环的下方。升高平台以液面作镜子，观察几乎与液面接触的圆环的像，检查圆环的周边是否水平。

升高平台使圆环刚一接触液面即被拉入液体。继续升高平台至测力计再次处于平衡。因圆环与液体表面接触，扰乱了表面层的排列，需等候几分钟后再行测定。

缓慢降低平台直至测力计稍微失去平衡。然后，调节施加于测力计的力以及平台的位置，随着环的周边处于液体自由表面上，测力计恢复平衡。

用微调螺杆降低平台，同时调节施加于测力计的力，使测力计始终保持平衡，直至连接圆环和液体表面的“膜”破裂。仔细地记下在“膜”破裂瞬间施加的力。

(四)计算

表面张力γ，以毫牛顿每米(mN／m)表示，按式(1)计算

(1)

F=tg x刻度盘读数

式中    F——当连接圆环与液体表面的“膜”破裂瞬间，或“膜”较低的弯月面脱开瞬间。施加于测力计的力，mN；

f——校正因子，见附录A表1；

R——圆环的平均半径，m；

t——校正曲线斜率，g／刻度；

g——重力加速度，m／s²。

测定表面张力的精密度会有很大变化，取决于待测液体的性质和液体对铂的润湿力。在能完全润湿铂的物理纯的液体的情况下，精密度为0.1mN／m。在该标准中，物理纯的液体尤指在其表面没有会影响表面性质的任何外来物质的一种液体。

图1用圆环测定

试验报告应包括下列内容：

a.全面鉴定待测样品所必须的所有资料，包括取样方法以及表面活性剂溶液的临界溶度温度。例如Krafft温度、环氧乙烷缩合物的混浊温度等；

b.所用的参考方法(该标准的参考)，以及所用测量杯的直径；

c.所用水的性质，或者所用溶剂的性质和溶液的浓度；

    d.测定温度；

    e.从溶液配制到测定时的间隔时间；

f.表面张力随时间的变化，直至达到平衡；

g.结果和使用的表示方法；

h.本标准未规定的或任选的任何操作细节，以及会影响结果的任何情况。

    附录A  圆环法的校正因子(f)表(补充件)

用表1查取校正因子厂需先求出复合参数R／r和R³／V，r、R和y的意义及计算说明如下：

R——圆环的平均半径，mm；

r——圆环铂丝的半径，mm；

V——膜破裂前的瞬间高于自由液面的液体体积(见附录C图3图解l0)，cm³，

m——膜破裂前高于自由液面的液体质量，g，m=t ×张力计刻度盘读数，t的意义见操作步骤3(2)；

D——被测液体的密度，g／cm³；

d——为被测液体的蒸汽所饱和的空气的密度(在水溶液的情况下，d与水溶液的密度D相比一般可忽略)，g／cm³。

表1铂环法的校正因子(f)表

附录B  纯有机液体的表面张力值(20℃)(参考件)

    附录C圆环法测量图解(参考件)

    图2中，l至5阶段相当于盛有待测液体的测量杯向上移动和圆环浸入液体的瞬间。由1至2阶段，圆环高于液体表面(见图3的图解1)。

    到2阶段时，圆环底部接触液体表面(见图3的图解2)。

    由2至3阶段，液体润湿圆环，液体施拉力F_l于圆环(见图3的图解3)。

图2圆环法力F随测量单元位移L变化的图

    由3至4阶段，圆环压紧液体表面，拉力F₁减小，压力F_p增加(见图3的图解4)。到4阶段时，圆环通过液体表面。

    由4至5阶段，由于圆环上部的润湿产生拉力F₂，压力F_p减小。

    由5至6阶段，圆环位于液体中(见图3的图解5)。

    图5-9中，6至12阶段相当于盛有待测液体的测量杯向下移动和圆环脱离液体的瞬间。

    由6至7阶段，圆环仍在液体内(见图3的图解6)。

    到7阶段时，圆环上部接触液体表面(见图3的图解7)。

    由7至10阶段，圆环拉起液膜脱离液体，液体施拉力F于膜(见图3的图解8)。  由7至8阶段，力F呈线性变化。

    由7至l0阶段，液膜形状继续变化。

    到9阶段，液体施于圆环最大拉力F_max(见图3的图解9)。

    到10阶段，液膜脱离圆环(见图3的图解l0)。

    由10至11阶段，薄膜破裂后，拉力F减小。遗留在圆环上的液膜导致剩余力F，(见图3的图解11)。

    到11至12阶段，圆环完全脱离液体(见图3的图解11)。

    附录D采用说明(参考件)

    IS0304中的6.3.2a规定用已知质量的游码校准张力计，仪器读数表示为表面张力)，单位为毫牛顿每米(mN／m)，用(2)式计算

(2)

式中    m——游码的质量，g；

b——圆环的周长，m，b=4π；

R——圆环的平均半径，m；

g——重力加速度，m／s²。

按此方式，需在用一系列不同质量的游码校准后，绘制表面张力／仪器读数校准曲线，可求得曲线的斜率t，[(mN／m)刻度]。

第(四)项测定结果计算公式应改为

γ=f×t’×仪器读数  (3)

图3  圆环法表面张力测量图解

  有关校正因子厂的参数V应按(4)式求得

(4)

(5)

    该标准未采用华公式，和将仪器读数换算成以表面张力表示，而直接绘制质量(g)／仪器读数曲线，保留IS0304中7.1条计算公式，简化V的计算公式。