表面张力系数的定义

液体的表面张力系数σ是指在恒温条件下，表面张力所引起的表面功与其引起的面积变化之比。受表面活性剂特性的影响，液体中的表面活性剂在液体内部保持平衡状态；但在液体与空气界面表面活性剂分子的亲水基伸向液体，疏水基伸向空气。

润湿原理

当液体与基材接触时，会在短时间内形成液-固界面，短时间内迁移至固体界面上的表面活性剂分子数量决定了最终的润湿效果。迁移到界面的表面活性剂分子数量越多，即反映出来的此时刻动态表面张力越小，最终的润湿效果越好。

表面张力的测量方法

主流测试方法有两类：

静态表面张力测试：铂金环或铂金板→ 与时间无关（即静态表面张力体现的是表面张力的最终结果）；

动态表面张力测试：最大气泡压力法 → 与时间相关（即动态表面张力体现的是表面张力变化过程）。

从材料润湿的角度，与时间无关的润湿条件，关注静态表面张力值即可；

与时间相关的润湿条件和清洗槽表面活性剂的添加，动态表面张力监控尤其重要。

表面张力数值如何发挥作用？

代表了表面活性剂的变化。表面活性剂被广泛应用于许多工业中，发挥作用的是它们的表面活性，即它们扩散和吸附到新形成界面并影响其表面张力。进一步，发挥作用的是表面活性剂的吸附过程快慢，以及在短时间内表面张力的下降速度，要符合使用者的需求。因此使用者可能会寻找许多表面活性剂来测试不同环境下的实际效果，对于研发与生产都需要花费大量时间与成本。

由于表面张力依赖于表面活性剂的含量，所以我们可以通过测定液体表面张力来监控表面活性剂的变化。此外，温度同样会影响表面张力；测量表面张力也可以用于分析一种或多种表面活性剂混合的临界胶束浓度。

目前市场上已经有多种测量液体表面张力的仪器，有的测的是静态的、有的测的是动态的。

为什么要测液体动态表面张力——案例解读

1、许多有表面活性剂参与的化学和物理过程是以毫秒计的。例如各种涂装、印刷、电镀工艺中的润湿、清洗过程，如打印墨水从打印喷头喷到纸张等底材的瞬间过程，各种各样材料的印刷等都属于动态过程。对于这些应用，就要求检测短时间内的动态表面张力值而非静态表面张力值。

2、在有关CMC（临界胶束浓度）值的研发时，当表面活性剂的浓度远远超过CMC值时，改变表面活性剂的浓度不会改变平衡态的表面张力（静态表面张力），而通过动态表面张力测量，即使浓度达到CMC值的几倍也能看出不同浓度下表面活性剂的显著区别。

举例：

1、许多有表面活性剂参与的化学和物理过程是以毫秒计的。例如各种底材表面的清洗、浸湿过程，打印墨水从打印喷头喷到纸张等底材的瞬间过程，各种各样材料的印刷等都属于动态过程。对于这些应用，就要求检测段时间内的动态表面张力值而非静态表面张力值。

2、在有关CMC值的研发时，当表面活性剂的浓度远远超过临界胶束浓度时，改变表面活性剂的浓度不改变平衡态的表面张力（静态表面张力），而通过动态表面张力测量时即使浓度达到四倍的临界胶束浓度也能看出它的显著作用。

例如：下图中，红、绿、黄色分别代表三种表面活性剂浓度从低到高的液体配方的动态至静态的表面张力。

可以看到三个配方的静态表面张力很相近（最右边的数值），而动态表面张力（左边的数据）才能体现出配方之间的性能差异较大。

析塔表面张力仪与传统张力仪比较

析塔动态表面张力仪客户名单（部分）

析塔动态表面张力仪工作原理

采用气泡压力法测量液体的动态及静态表面张力，无需精确控制毛细管浸入深度，测量精度高，操作灵活。通过毛细管将空气向待测液体吹入气泡。气泡内的压力随气泡半径的变化而不断变化。因此，表面张力可由压力最大值和最小值的差值来计算。使用纯水即可自动对仪器完成校准。

析塔表面张力仪型号介绍

析塔表面张力仪，共有4种型号。

析塔SITA Dynotester+动态表面张力仪

功能特点

△ 方便携带

●长达10个小时的操作时间，最多可存储25组测量数据；

●尺寸小，重量轻，便于随身携带，外带测试；

△ 实际性强

●人性化操作界面，无多级菜单——一键完成操作；

●配有坚固支架，适合长时间测量；

●直接存储测量结果。

△ 高精度确度

●快捷按键可以预设3个气泡时间，这避免了人为操作产生的误差。

●测量结果可与其他所有SITA表面张力仪数据进行对比。

●自动调节表面测量——避免人为操作误差。

●可靠的预设参数有效避免了测试偏差。

△ 动态检测

●满足表面张力的动态检测需求。

析塔SITA Pro Line t15 全自动动态及静态表面张力仪

功能特点：

● 快速精准测出动态及静态表面张力值，重复性很好

● 内置自动校准功能，操作灵活简单

● 自动调节气泡寿命，范围广：15毫秒~20秒

● 监测表面活性剂浓度、配方研发、表活品控

● 提供在线型号可在生产线上在线监测

实际应用

（1）产品质量控制和工艺监控

●在清洗金属零件、电镀液、半导体生产等过程中控制表面张力和表面活性剂浓度

● 监测工厂或实验室中含有表面活性剂的液体

● 监控油墨和油漆产品质量

（2）研究与开发

● 该产品用于清洗，电镀液，油墨，油漆等行业应用

（3）单一模式

●为控制、测量任务和监测浓度进行快速测量

（4）自动模式

●建立含表面活性剂液体的动态表面张力特性曲线

●表面活性剂的动力学和润湿特性

（5）在线模式

●观察评估表面张力随时间的变化情况样品稳定性：溶解和老化特性；表面活性剂浓度的变化；创建温度曲线

析塔SITA Science Line t100实验室表面张力仪

功能特点

● 15毫秒---100秒气泡寿命，从高动态到准静态的大范围测量；

● 可实现编程全自动按时定量/变量添加液体，自动测量并记录；

● 数据(需另购配件)，全自动测量CMC, 彩色液晶显示数据；

● 可使用空气或惰性气体生成气泡液体样品温度：-20至125摄氏度。

实际应用

● 测量液体中的表面张力

● 表面活性剂的表征与分析

● 研究与产品开发

● 产品质量控制

析塔SITA Clean Line ST集成式在线表面张力仪

功能特点

● 量化并保证工艺过程的质量;

● 按消耗量自动配制表面活性剂;

● 通过管理控制工艺过程，提高产品的质量;

● 为工艺过程提供可靠性的解决方案;

● 减少清洗剂的消耗，环保，通过优化工艺降低成本。

动态表面张力在工业中的应用

工业清洗行业---焊接、电镀、喷涂前的清洗处理确保合适的表面活性剂浓度

在工业清洗中浸洗与淋洗用到大量表面活性剂。清洗机理如下：

由表面活性剂包裹污染物，促净剂(碱、盐)使工件与污染物表面产生相同的负电荷后相斥分离。清洗效果主要由清洗液中稳定而且适量的表面活性剂浓度来保证。

在实际生产中，表面活性剂的消耗受到零件上的污染物的多少和种类影响，还会因为零件带出、清洗槽排放(如超滤、油分离器)和漂洗水回流稀释的影响。因此，浸泡清洗中的表面活性剂的消耗状况是极不稳定的。而过量添加清洗剂也会使漂洗残留而成为污染源。

目前国内判定浸泡清洗中清洗剂的添加量主要按时间间隔或根据游离碱浓度补充。由于表面活性剂和碱的消耗速度不一样，这两种方法都不能真正测出表面活性剂浓度，造成在生产中表面活性制的浓度过高或过低。采用析塔动态表面张力仪测出表面活性剂浓度再根据消耗量进行适量添加，大大提高了工业清洗的稳定性。

喷墨、涂料油墨行业

喷墨与动态表面张力的关系：在打印过程中，动态表面张力影响墨水最终打印效果的有两个状态：墨水飞出喷头瞬间的形状和墨水在底材上的铺展。

当墨水飞出喷头的瞬间，若动态表面张力过大，容易出现墨滴拖尾的现象，造成拉线问题；若表面张力过小，墨水喷出时容易扩散，在空中分离，易产生卫星状墨滴，使图案的清晰度和层次感降低，并随着时间的迁移，在喷嘴膜形成墨滴，造成挂墨。

印刷油墨与动态表面张力的关系：当墨水与底材接触，会在短时间内形成液—固界面，在短时间内迁移至此液—固界面上的表面活性剂分子数量决定了最终的润湿效果。迁移到界面的表面活性剂分子数量越多，即反映出来的此时刻动态表面张力越小，最终的润湿效果越好;反之润湿效果越差。

因此，墨水能否快速地润湿取决于墨水在粘度未升高且未干固前的动态表面张力值。 传统的静态表面张力值不能反映真实润湿性能的原因，因为静态表面张力不能表征表面活性剂在短时间内的移动速度。

汽车修补漆应用

涂料行业普遍存在收缩、缩孔等润湿不良的问题。造成缩孔的主要原因之一：当干燥时间比较短，动态表面张力偏大时会造成润湿不良、缩孔。

测试仪器：德国析塔动态表面张力仪

型号：析塔SITA pro line t15

测试温度：27.1～28.4 ℃

样品表面干燥时间：约10分钟

测试目的：测试不同汽车修补漆成品的动态表面张力，根据量化数据判断缩孔问题是否与配方的动态表面张力相关。是否能利用动态表面张力数据预计判配方问题。或作为产品出厂质检项目，减少风险。

样品A为蓝色曲线，在实际使用中出现缩孔，数据显示其动态表面张力较高。

样品B为红色曲线，在实际使用中没有缩孔，数据显示其动态表面张力较低。

结论：样品A的缩孔问题是由动态表面张力过高造成，可使用助剂降低其动态表面张力。且样品A静态表面张力低于样品B静态表面张力，在实际使用中却是样品A出现缩孔，此为静态表面张力不准确的一个主要原因。

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