摘要：分析了平板法測(cè)液體表面張力的測(cè)試原理，概括了表面張力儀平板法測(cè)液體表面張力的測(cè)試過程，從理論上分析了國產(chǎn)鉑金板代替進(jìn)口鉑金板的可行性。通過實(shí)驗(yàn)，證明了國產(chǎn)鉑金板可用在表面張力儀上進(jìn)行日常測(cè)試，測(cè)試值與理論值偏差不超過0.2%。

表面張力是指在液體自由面的單位長(zhǎng)度上所受拉力的大小。在紡織印染行業(yè)中常需對(duì)液體的表面張力進(jìn)行測(cè)定。靜態(tài)法是液體表面張力測(cè)定的常用方法，包括毛細(xì)管上升法、最大氣泡壓力法、Du-Noüy環(huán)法、Wilhelmy平板法、滴重法和滴體積法等。其中Wilhelmy平板法由Wilhelmy于1863年最先提出，后經(jīng)改進(jìn)，具有應(yīng)用廣泛，操作簡(jiǎn)單，不需校正，精度高等優(yōu)點(diǎn)。

1 Wilhelmy平板法測(cè)試原理

如圖1，將一塊長(zhǎng)度為a、厚度為b的平板（如鉑金板）部分浸入待測(cè)液體中，板四周會(huì)受到液體向下的表面張力的作用，平板另一端連接天平，由天平測(cè)量平板所受垂直向下的合力。平板垂直向下的合力等于平板的重力與表面張力在垂直方向的分量之和，如式（1）。在式（1）中平板的重力已知，如液體與平板的接觸角已知，則可計(jì)算得到液體的表面張力。

F合=mg+2(a+b)γcosθ(1)

式中：

F合——鉑金板所受豎直向下的合力，N；

m——鉑金板的質(zhì)量，kg；

g——重力加速度，9.8 m/s2；

a——鉑金板長(zhǎng)度，mm；

b——鉑金板厚度，mm；

γ——液體表面張力，mN/m；

θ——液體與鉑金板的接觸角，（°）。

測(cè)試中，常采用具有高能表面的鉑金板，以確保液體對(duì)平板完全潤濕，使接觸角θ=0°，測(cè)試前天平如先將平板重力清零，天平測(cè)量的力則可直接轉(zhuǎn)化為液體表面張力，見式（2）。

γ=F/2(a+b)(2)

式中：

γ——液體表面張力，mN/m；

F——天平測(cè)量的力，N；

a——鉑金板長(zhǎng)度，mm；

b——鉑金板厚度，mm。

圖1 Wilhelmy平板法測(cè)液體表面張力示意圖

2表面張力儀平板法測(cè)液體表面張力過程

表面張力儀由德國Dataphysics公司研發(fā)并生產(chǎn)，主要用于液體表界面張力及固體材料動(dòng)態(tài)接觸角的測(cè)定。液體表面張力的測(cè)定可以采用板法和環(huán)法兩種測(cè)量方法，其中板法基于Wilhelmy平板法測(cè)量原理，測(cè)量過程如圖2。

圖2表面張力儀平板法測(cè)量液體表面張力過程

測(cè)試前天平刀口自動(dòng)鎖定，將干凈、干燥的鉑金板上端插入天平刀口，測(cè)試運(yùn)行后，天平刀口自動(dòng)釋放開始測(cè)量鉑金板的重量并清零。測(cè)試過程如下：首先，裝有液體的平臺(tái)不斷上升，如圖2（a），鉑金板開始接觸液體因受浮力作用天平示數(shù)減小，減小至設(shè)定值后儀器默認(rèn)探測(cè)到液面并儲(chǔ)存平臺(tái)位置；然后，平臺(tái)繼續(xù)上升到設(shè)置的浸沒深度（一般為3 mm），如圖2（b）；圖2（c）平臺(tái)下降至儲(chǔ)存的位置，儀器開始測(cè)量，測(cè)試值達(dá)到設(shè)定的停止條件便自動(dòng)停止。對(duì)于純液體，可以選取合適范圍內(nèi)的值給出最終的平均值作為液體的表面張力值。

3進(jìn)口鉑金板可替換性理論分析

原配進(jìn)口鉑金板和BZY-1原配國產(chǎn)鉑金板的主要區(qū)別如表1。

表1原配進(jìn)口鉑金板和BZY-1原配國產(chǎn)鉑金板比較

3.1材料和表面處理

平板法測(cè)液體表面張力使用的平板一般由鉑金或鉑銥合金制成，鉑銥合金較鉑金具有更高的熔點(diǎn)、硬度及耐腐蝕性，具有更高的表面能。為提高潤濕效果，平板表面一般進(jìn)行粗糙處理，粗糙處理包括噴沙器、金剛砂打磨等。因此，進(jìn)口鉑金板較國產(chǎn)鉑金板對(duì)液體具有更理想的潤濕性，但價(jià)格更昂貴。

3.2質(zhì)量

由表1知，進(jìn)口鉑金板質(zhì)量較國產(chǎn)鉑金板大，但表面張力儀測(cè)試時(shí)天平會(huì)先將平板重力清零，因此平板質(zhì)量的差異對(duì)測(cè)試結(jié)果無影響。

3.3尺寸和外形

由式（2）可知，平板的尺寸（長(zhǎng)度和厚度），直接影響測(cè)試結(jié)果。國產(chǎn)鉑金板長(zhǎng)度較進(jìn)口鉑金板稍長(zhǎng)而厚度一致。表面張力儀應(yīng)用軟件可對(duì)a、b值進(jìn)行編輯，如使用國產(chǎn)鉑金板進(jìn)行測(cè)試可以直接輸入該板對(duì)應(yīng)的a、b值，或軟件中保持a、b值不變，根據(jù)公式計(jì)算，測(cè)試值只需乘以比例系數(shù)0.8375進(jìn)行修正即可。國產(chǎn)鉑金板上端是掛鉤式，可以將前端掛鉤剪除以方便插入天平刀口。

綜上所述，在理論上國產(chǎn)鉑金板經(jīng)少許加工，測(cè)試結(jié)果經(jīng)簡(jiǎn)單換算，BZY-1原配國產(chǎn)鉑金板可以替代進(jìn)口鉑金板在表面張力儀上使用。

4進(jìn)口鉑金板可替換性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

使用BZY-1表面張力儀（原配國產(chǎn)鉑金板）、表面張力儀（原配進(jìn)口鉑金板）和表面張力儀（選配國產(chǎn)鉑金板）對(duì)水、無水乙醇、合成墨水進(jìn)行表面張力測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3用三種方式測(cè)試液體表面張力結(jié)果

由圖3結(jié)果可知，三種方式測(cè)出的表面張力與參考值相差不大。其中國產(chǎn)BZY-1表面張力儀的精度稍差于進(jìn)口表面張力儀。表面張力儀選配國產(chǎn)鉑金板測(cè)得的結(jié)果與參考值的偏差見表2。

表2表面張力儀（選配國產(chǎn)鉑金板）測(cè)試偏差

液體+國產(chǎn)板參考值偏差/%

水72.10 72.14[50.06

乙醇22.00 21.97[50.14

合成墨水30.17 30.12 0.17

由表2知，表面張力儀（選配國產(chǎn)鉑金板）對(duì)三種液體的測(cè)量值與參考值的偏差均在0.2%以內(nèi)，可以滿足測(cè)試需求。

5結(jié)論

BZY-1表面張力儀原配國產(chǎn)鉑金板可以很好地替代表面張力儀原配鉑金板，表面張力儀換用國產(chǎn)鉑金板測(cè)量液體表面張力時(shí)，測(cè)試值與參考值偏差不超過0.2%，能有效保證測(cè)試精度，大大節(jié)省了測(cè)試成本。