表面活性劑作為一類在日常生活及工業(yè)生產(chǎn)流程中廣泛應(yīng)用的化合物，其對于液滴與界面膜的形成機制有著極為關(guān)鍵的影響，而液滴和界面膜的特性與眾多產(chǎn)品的質(zhì)量緊密相關(guān)，是決定產(chǎn)品品質(zhì)的核心要素。已有確鑿研究表明，溶液體系中的表面活性劑能夠在數(shù)毫秒的極短時間尺度內(nèi)，對有效表面積的改變迅速做出響應(yīng)^[1]，這一特性在洗滌工藝以及噴涂作業(yè)等實際應(yīng)用場景中，對于表面活性劑作用效率的發(fā)揮起著決定性作用。      

鑒于此，深入探究表面活性劑在氣/液界面的吸附動力學(xué)行為具有重要的理論與實際意義，特別是在涉及快速潤濕的工藝過程中，這一研究顯得尤為關(guān)鍵。動態(tài)表面張力作為一個關(guān)鍵參數(shù)，為理解快速潤濕過程提供了理想的量化指標。      

德國德飛（DataPhysics）公司的 MBP200 氣泡壓力張力儀，是精準測量液體溶液動態(tài)表面張力的理想之選。該儀器能夠測定低至 5ms 表面年齡時的動態(tài)表面張力。本文的應(yīng)用案例，闡述了利用該儀器自動測定不同濃度 Lutensol^®溶液動態(tài)表面張力的方法。

（圖1） DataPhysics 公司泡壓法張力儀MBP 200

MBP 200氣泡壓力法表面張力儀測量原理

德國德飛（DataPhysics）公司研發(fā)并生產(chǎn)的 MBP200 氣泡壓力張力儀（見圖 1），采用最大氣泡壓力法，能夠精確測量液體的動態(tài)表面張力^[2]。表面張力測量范圍 10mN/m 至 100mN/m，表面年齡 5ms 至 200s。

最大氣泡壓力法可用于評估溶液中新形成氣泡表面的動態(tài)表面張力（見圖2）^[3]。依據(jù) Young-Laplace 方程，球形氣泡的內(nèi)部壓力（p_in）由其曲率半徑（r_b）和表面張力（σ）共同決定。

（圖2）(a) 毛細管尖端氣泡的形成；(b) 在最大氣泡壓力下測定表面張力；(c) 動態(tài)實驗中測得的壓差

如圖 2（a）所示，當氣泡在毛細管尖端形成時，其曲率起初增大，隨后減小，在此過程中會產(chǎn)生一個壓力最大值。當曲率半徑與毛細管半徑相等時，曲率達到最大，此時壓力也達到最大值。在已知毛細管半徑的情況下，便可依據(jù)最大壓力（p_max）來計算表面張力。值得注意的是，需要減去因毛細管浸入液體所產(chǎn)生的靜水壓力。因此，表面張力（σ）的計算公式如下：

如圖 2（b）所示，r_cap 代表所用毛細管的內(nèi)徑，h 為設(shè)定的浸入深度，ρ 是被測液體的密度，g 為重力加速度。最大壓力（Δp_mea,max）由儀器測得。MBP 200 配備了高靈敏度壓力傳感器，能夠精準測量氣泡內(nèi)部壓力。

由圖 2（c）可見，氣泡持續(xù)生成并不斷膨脹，直至從毛細管尖端脫離。在前一個氣泡脫離瞬間，新的氣泡隨即開始形成。從氣泡開始生長直至呈半球形時，記錄到的壓力達到最大值 Δp_mea,max，此過程所歷經(jīng)的時間間隔記為 t* 。因此，氣泡的表面年齡等同于時間間隔 t，即從氣泡表面形成至呈半球形的這段時長。動態(tài)表面張力（σ）正是對應(yīng)這一表面年齡（t）進行測定的。鑒于時間間隔（t*）的長短取決于氣體流速的調(diào)控，故而通過調(diào)節(jié)氣體流速，便能測定不同表面年齡（t*）下的動態(tài)表面張力（σ(t*)）。為滿足測量中獲取不同表面年齡的需求，MBP200 配置了可產(chǎn)生多種氣體流速的閥門裝置。

實驗方法

為保證測量精度，在測量過程中所使用的毛細管需采用高純水予以校準。整個測量過程分為兩個步驟：

I. 校準測量

1、 將所需毛細管安裝至毛細管固定座處（參照圖3）。

2、 把盛有純水的潔凈容器放置在樣品臺上。

3、 啟動校準測量流程。

4、 系統(tǒng)自動生成校準文件，并應(yīng)用于后續(xù)測量。

II. 動態(tài)表面張力測量

1、 將裝有樣品液體的容器置于樣品臺上。

2、 在軟件界面中，準確設(shè)定樣品液體的密度數(shù)值。在本項研究里，選用了 “表面年齡掃描" 模式。

3、 啟動所選定的測量方法。

4、 測量結(jié)果將在軟件中實時顯示，并且可針對這些數(shù)據(jù)展開進一步的分析處理。

MBP200 具備一系列極具工程價值與技術(shù)優(yōu)勢的特性。其自動表面接觸檢測系統(tǒng)采用先進的傳感與控制技術(shù)，能夠依據(jù)預(yù)設(shè)深度精準觸發(fā)浸入進程，有效提升了實驗操作的精度與可重復(fù)性。在浸入過程中，其獨特的氣流管理機制基于流體動力學(xué)原理，通過精確調(diào)控氣流參數(shù)，可有效阻止液體侵入毛細管，保障測量過程的穩(wěn)定性與準確性。

（圖3）安裝于配備聚四氟乙烯（PTFE）蓋子的 MBP 200 設(shè)備內(nèi)的一次性毛細管

結(jié)果與討論

借助 LDU 25 液體加樣單元（圖4）的自動滴定功能和MBP 200 軟件中的 “自動濃度系列" 模式能夠實現(xiàn)對不同表面年齡下樣品液體的動態(tài)表面張力與濃度之間關(guān)系的自動化連續(xù)測量。在數(shù)據(jù)采集過程中，表面年齡以及動態(tài)表面張力的數(shù)據(jù)是基于對多個單個氣泡的測量結(jié)果進行統(tǒng)計平均而得，該數(shù)量通常設(shè)定為約 15個氣泡。值得注意的是，即便在表面年齡較低的情況下，通過該實驗方法所獲取的數(shù)據(jù)，其誤差也能有效控制在 ±0.5mN/m的范圍內(nèi)，這一精度水平為相關(guān)研究提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐，確保了實驗結(jié)果的準確性與科學(xué)性。

圖 4：LDU 25 液體加樣單元可讓操作人員自動改變研究溶液的濃度。

實驗測量了不同濃度的Lutensol® 溶液（非離子型脂肪醇表面活性劑的水溶液）在不同表面年齡時的動態(tài)表面張力，測量溫度為25℃。如圖5所示，其呈現(xiàn)了不同濃度的Lutensol®溶液在15ms至20000ms這一表面年齡區(qū)間內(nèi)動態(tài)表面張力的變化情況。當Lutensol®濃度處于0.000 g/l，即等同于純水狀態(tài)時，體系的動態(tài)表面張力穩(wěn)定維持在72.5mN/m。在濃度低于0.007 g/l的范圍內(nèi)，Lutensol®溶液的動態(tài)表面張力基本未發(fā)生可觀測的變化。而當表面活性劑濃度達到0.016 g/l時，動態(tài)表面張力出現(xiàn)急劇下降的趨勢。進一步，當表面活性劑濃度高于0.071 g/l時，即便處于較短的表面年齡（小于100 ms）條件下，依然能夠清晰地觀察到動態(tài)表面張力的顯著下降。這一現(xiàn)象充分表明，Lutensol®濃度與表面活性劑降低表面張力的速率之間存在正相關(guān)關(guān)系，即Lutensol®濃度越高，表面活性劑降低表面張力的速度越快。由此推斷，較高濃度的Lutensol®在較低的表面年齡下也具備提供優(yōu)異潤濕性的能力。

圖 5：不同濃度的 Lutensol® 溶液在 15ms至 20000ms不同表面年齡下的動態(tài)表面張力

此外，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，當Lutensol®溶液濃度超過0.321 g/l時，動態(tài)表面張力達到平衡狀態(tài)，此時呈現(xiàn)出極為接近的數(shù)值，約為29mN/m。這一實驗結(jié)果意味著該濃度已超過Lutensol®溶液的臨界膠束濃度（CMC）。值得關(guān)注的是，在較短表面年齡（小于100ms）的情況下，動態(tài)表面張力仍存在顯著差異。這種差異在快速吸附研究領(lǐng)域具有重要意義，因為快速吸附正是表面活性劑濃度處于接近或高于臨界膠束濃度時所呈現(xiàn)的典型特征現(xiàn)象。

總結(jié)

德國DataPhysics 公司的 MBP 200 氣泡壓力張力儀能夠在以毫秒為單位的極短表面年齡下測量動態(tài)表面張力。結(jié)合使用 LDU 25 液體加樣單元的自動滴定功能，MBP 200 可以針對一系列不同的表面年齡，自動測定樣品的動態(tài)表面張力隨濃度的變化情況。如本應(yīng)用所述，它能夠自動測定在短表面年齡（即小于 100ms）下，不同表面活性劑濃度（甚至是接近和高于臨界膠束濃度時）的動態(tài)表面張力差異。這在研究快速作用的表面活性劑時尤為重要。

鑒于上述優(yōu)勢，MBP 200 氣泡壓力法張力儀無疑是分析表面活性劑溶液等各類液體、深入理解超快潤濕過程，以及優(yōu)化具備良好動態(tài)潤濕性能配方的理想實驗儀器，為相關(guān)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用提供了強有力的技術(shù)支持。

參考文獻

[1] Yuan, X. H.; Rosen, M. J. Dynamic surface tension of aqueous surfactant solutions. J. Colloid Interface Sci. 1988, 124, 652?659.

[2] https://www.dataphysics-instruments。。ｃｏｍ/products/mbp/

[3] Mysels, K. J. Improvements in the maximum-bubble-pressure method of measuring surface tension. Langmuir. 1986; 2(4): 428-32.

[4] Holcomb, C. D.; Zollweg, J. A. Improved differential bubble pressure surface tensiometer. J. Colloid Interface Sci. 1992; 154(1): 51-65.

[5] https://www.dataphysics-instruments。。ｃｏｍ/products/mbp/accessories/

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