表面張力系數(shù)的定義

液體的表面張力系數(shù)σ是指在恒溫條件下，表面張力所引起的表面功與其引起的面積變化之比。受表面活性劑特性的影響，液體中的表面活性劑在液體內(nèi)部保持平衡狀態(tài)；但在液體與空氣界面表面活性劑分子的親水基伸向液體，疏水基伸向空氣。

潤濕原理

當(dāng)液體與基材接觸時，會在短時間內(nèi)形成液-固界面，短時間內(nèi)遷移至固體界面上的表面活性劑分子數(shù)量決定了最終的潤濕效果。遷移到界面的表面活性劑分子數(shù)量越多，即反映出來的此時刻動態(tài)表面張力越小，最終的潤濕效果越好。

表面張力的測量方法

主流測試方法有兩類：

靜態(tài)表面張力測試：鉑金環(huán)或鉑金板→ 與時間無關(guān)（即靜態(tài)表面張力體現(xiàn)的是表面張力的最終結(jié)果）；

動態(tài)表面張力測試：最大氣泡壓力法 → 與時間相關(guān)（即動態(tài)表面張力體現(xiàn)的是表面張力變化過程）。

從材料潤濕的角度，與時間無關(guān)的潤濕條件，關(guān)注靜態(tài)表面張力值即可；

與時間相關(guān)的潤濕條件和清洗槽表面活性劑的添加，動態(tài)表面張力監(jiān)控尤其重要。

表面張力數(shù)值如何發(fā)揮作用？

代表了表面活性劑的變化。表面活性劑被廣泛應(yīng)用于許多工業(yè)中，發(fā)揮作用的是它們的表面活性，即它們擴散和吸附到新形成界面并影響其表面張力。進(jìn)一步，發(fā)揮作用的是表面活性劑的吸附過程快慢，以及在短時間內(nèi)表面張力的下降速度，要符合使用者的需求。因此使用者可能會尋找許多表面活性劑來測試不同環(huán)境下的實際效果，對于研發(fā)與生產(chǎn)都需要花費大量時間與成本。

由于表面張力依賴于表面活性劑的含量，所以我們可以通過測定液體表面張力來監(jiān)控表面活性劑的變化。此外，溫度同樣會影響表面張力；測量表面張力也可以用于分析一種或多種表面活性劑混合的臨界膠束濃度。

目前市場上已經(jīng)有多種測量液體表面張力的儀器，有的測的是靜態(tài)的、有的測的是動態(tài)的。

為什么要測液體動態(tài)表面張力——案例解讀

1、許多有表面活性劑參與的化學(xué)和物理過程是以毫秒計的。例如各種涂裝、印刷、電鍍工藝中的潤濕、清洗過程，如打印墨水從打印噴頭噴到紙張等底材的瞬間過程，各種各樣材料的印刷等都屬于動態(tài)過程。對于這些應(yīng)用，就要求檢測短時間內(nèi)的動態(tài)表面張力值而非靜態(tài)表面張力值。
2、在有關(guān)CMC（臨界膠束濃度）值的研發(fā)時，當(dāng)表面活性劑的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過CMC值時，改變表面活性劑的濃度不會改變平衡態(tài)的表面張力（靜態(tài)表面張力），而通過動態(tài)表面張力測量，即使?jié)舛冗_(dá)到CMC值的幾倍也能看出不同濃度下表面活性劑的顯著區(qū)別。

舉例：

1、許多有表面活性劑參與的化學(xué)和物理過程是以毫秒計的。例如各種底材表面的清洗、浸濕過程，打印墨水從打印噴頭噴到紙張等底材的瞬間過程，各種各樣材料的印刷等都屬于動態(tài)過程。對于這些應(yīng)用，就要求檢測段時間內(nèi)的動態(tài)表面張力值而非靜態(tài)表面張力值。

2、在有關(guān)CMC值的研發(fā)時，當(dāng)表面活性劑的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過臨界膠束濃度時，改變表面活性劑的濃度不改變平衡態(tài)的表面張力（靜態(tài)表面張力），而通過動態(tài)表面張力測量時即使?jié)舛冗_(dá)到四倍的臨界膠束濃度也能看出它的顯著作用。

例如：下圖中，紅、綠、黃色分別代表三種表面活性劑濃度從低到高的液體配方的動態(tài)至靜態(tài)的表面張力。

可以看到三個配方的靜態(tài)表面張力很相近（最右邊的數(shù)值），而動態(tài)表面張力（左邊的數(shù)據(jù)）才能體現(xiàn)出配方之間的性能差異較大。

析塔表面張力儀與傳統(tǒng)張力儀比較

析塔動態(tài)表面張力儀客戶名單（部分）

析塔動態(tài)表面張力儀工作原理

采用氣泡壓力法測量液體的動態(tài)及靜態(tài)表面張力，無需精確控制毛細(xì)管浸入深度，測量精度高，操作靈活。通過毛細(xì)管將空氣向待測液體吹入氣泡。氣泡內(nèi)的壓力隨氣泡半徑的變化而不斷變化。因此，表面張力可由壓力最大值和最小值的差值來計算。使用純水即可自動對儀器完成校準(zhǔn)。

析塔表面張力儀型號介紹

析塔表面張力儀，共有4種型號。

析塔SITA Dynotester+動態(tài)表面張力儀

功能特點

△ 方便攜帶

●長達(dá)10個小時的操作時間，最多可存儲25組測量數(shù)據(jù)；

●尺寸小，重量輕，便于隨身攜帶，外帶測試；

△ 實際性強

●人性化操作界面，無多級菜單——一鍵完成操作；

●配有堅固支架，適合長時間測量；

●直接存儲測量結(jié)果。

△ 高精度確度

●快捷按鍵可以預(yù)設(shè)3個氣泡時間，這避免了人為操作產(chǎn)生的誤差。

●測量結(jié)果可與其他所有SITA表面張力儀數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

●自動調(diào)節(jié)表面測量——避免人為操作誤差。

●可靠的預(yù)設(shè)參數(shù)有效避免了測試偏差。

△ 動態(tài)檢測

●滿足表面張力的動態(tài)檢測需求。

析塔SITA Pro Line t15 全自動動態(tài)及靜態(tài)表面張力儀

功能特點：

● 快速精準(zhǔn)測出動態(tài)及靜態(tài)表面張力值，重復(fù)性較好

● 內(nèi)置自動校準(zhǔn)功能，操作靈活簡單

● 自動調(diào)節(jié)氣泡壽命，范圍廣：15毫秒~20秒

● 監(jiān)測表面活性劑濃度、配方研發(fā)、表活品控

● 提供在線型號可在生產(chǎn)線上在線監(jiān)測

實際應(yīng)用

（1）產(chǎn)品質(zhì)量控制和工藝監(jiān)控

●在清洗金屬零件、電鍍液、半導(dǎo)體生產(chǎn)等過程中控制表面張力和表面活性劑濃度

● 監(jiān)測工廠或?qū)嶒炇抑泻斜砻婊钚詣┑囊后w

● 監(jiān)控油墨和油漆產(chǎn)品質(zhì)量

（2）研究與開發(fā)

● 該產(chǎn)品用于清洗，電鍍液，油墨，油漆等行業(yè)應(yīng)用

（3）單一模式

●為控制、測量任務(wù)和監(jiān)測濃度進(jìn)行快速測量

（4）自動模式

●建立含表面活性劑液體的動態(tài)表面張力特性曲線

●表面活性劑的動力學(xué)和潤濕特性

（5）在線模式

●觀察評估表面張力隨時間的變化情況樣品穩(wěn)定性：溶解和老化特性；表面活性劑濃度的變化；創(chuàng)建溫度曲線

析塔SITA Science Line t100實驗室表面張力儀

功能特點

●  15毫秒---100秒氣泡壽命，從高動態(tài)到準(zhǔn)靜態(tài)的大范圍測量；

● 可實現(xiàn)編程全自動按時定量/變量添加液體，自動測量并記錄；

● 數(shù)據(jù)(需另購配件)，全自動測量CMC, 彩色液晶顯示數(shù)據(jù)；

● 可使用空氣或惰性氣體生成氣泡液體樣品溫度：-20至125攝氏度。

實際應(yīng)用

● 測量液體中的表面張力

● 表面活性劑的表征與分析

● 研究與產(chǎn)品開發(fā)

● 產(chǎn)品質(zhì)量控制

析塔SITA Clean Line ST集成式在線表面張力儀

功能特點

● 量化并保證工藝過程的質(zhì)量;

● 按消耗量自動配制表面活性劑;

● 通過管理控制工藝過程，提高產(chǎn)品的質(zhì)量;

● 為工藝過程提供可靠性的解決方案;

● 減少清洗劑的消耗，環(huán)保，通過優(yōu)化工藝降低成本。

動態(tài)表面張力在工業(yè)中的應(yīng)用

工業(yè)清洗行業(yè)---焊接、電鍍、噴涂前的清洗處理確保合適的表面活性劑濃度

在工業(yè)清洗中浸洗與淋洗用到大量表面活性劑。清洗機理如下：

由表面活性劑包裹污染物，促凈劑(堿、鹽)使工件與污染物表面產(chǎn)生相同的負(fù)電荷后相斥分離。清洗效果主要由清洗液中穩(wěn)定而且適量的表面活性劑濃度來保證。

在實際生產(chǎn)中，表面活性劑的消耗受到零件上的污染物的多少和種類影響，還會因為零件帶出、清洗槽排放(如超濾、油分離器)和漂洗水回流稀釋的影響。因此，浸泡清洗中的表面活性劑的消耗狀況是極不穩(wěn)定的。而過量添加清洗劑也會使漂洗殘留而成為污染源。

目前國內(nèi)判定浸泡清洗中清洗劑的添加量主要按時間間隔或根據(jù)游離堿濃度補充。由于表面活性劑和堿的消耗速度不一樣，這兩種方法都不能真正測出表面活性劑濃度，造成在生產(chǎn)中表面活性制的濃度過高或過低。采用析塔動態(tài)表面張力儀測出表面活性劑濃度再根據(jù)消耗量進(jìn)行適量添加，大大提高了工業(yè)清洗的穩(wěn)定性。

噴墨、涂料油墨行業(yè)

噴墨與動態(tài)表面張力的關(guān)系：在打印過程中，動態(tài)表面張力影響墨水最終打印效果的有兩個狀態(tài)：墨水飛出噴頭瞬間的形狀和墨水在底材上的鋪展。

當(dāng)墨水飛出噴頭的瞬間，若動態(tài)表面張力過大，容易出現(xiàn)墨滴拖尾的現(xiàn)象，造成拉線問題；若表面張力過小，墨水噴出時容易擴散，在空中分離，易產(chǎn)生衛(wèi)星狀墨滴，使圖案的清晰度和層次感降低，并隨著時間的遷移，在噴嘴膜形成墨滴，造成掛墨。

印刷油墨與動態(tài)表面張力的關(guān)系：當(dāng)墨水與底材接觸，會在短時間內(nèi)形成液—固界面，在短時間內(nèi)遷移至此液—固界面上的表面活性劑分子數(shù)量決定了最終的潤濕效果。遷移到界面的表面活性劑分子數(shù)量越多，即反映出來的此時刻動態(tài)表面張力越小，最終的潤濕效果越好;反之潤濕效果越差。

因此，墨水能否快速地潤濕取決于墨水在粘度未升高且未干固前的動態(tài)表面張力值。 傳統(tǒng)的靜態(tài)表面張力值不能反映真實潤濕性能的原因，因為靜態(tài)表面張力不能表征表面活性劑在短時間內(nèi)的移動速度。

汽車修補漆應(yīng)用

涂料行業(yè)普遍存在收縮、縮孔等潤濕不良的問題。造成縮孔的主要原因之一：當(dāng)干燥時間比較短，動態(tài)表面張力偏大時會造成潤濕不良、縮孔。

測試儀器：德國析塔動態(tài)表面張力儀

型號：析塔SITA pro line t15

測試溫度：27.1～28.4 ℃

樣品表面干燥時間：約10分鐘

測試目的：測試不同汽車修補漆成品的動態(tài)表面張力，根據(jù)量化數(shù)據(jù)判斷縮孔問題是否與配方的動態(tài)表面張力相關(guān)。是否能利用動態(tài)表面張力數(shù)據(jù)預(yù)計判配方問題。或作為產(chǎn)品出廠質(zhì)檢項目，減少風(fēng)險。

樣品A為藍(lán)色曲線，在實際使用中出現(xiàn)縮孔，數(shù)據(jù)顯示其動態(tài)表面張力較高。

樣品B為紅色曲線，在實際使用中沒有縮孔，數(shù)據(jù)顯示其動態(tài)表面張力較低。

結(jié)論：樣品A的縮孔問題是由動態(tài)表面張力過高造成，可使用助劑降低其動態(tài)表面張力。且樣品A靜態(tài)表面張力低于樣品B靜態(tài)表面張力，在實際使用中卻是樣品A出現(xiàn)縮孔，此為靜態(tài)表面張力不準(zhǔn)確的一個主要原因。

翁開爾是德國析塔SITA中國總代理，如需了解各種關(guān)于析塔表面張力儀信息以及應(yīng)用，歡迎致電【18566398802】咨詢。