【應用】MBP200 助力探究：表面活性劑溶液動(dòng)態(tài)表面張力的濃度依賴(lài)關(guān)系

表面活性劑作為一類(lèi)在日常生活及工業(yè)生產(chǎn)流程中廣泛應用的化合物，其對于液滴與界面膜的形成機制有著(zhù)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毫秒的極短時(shí)間尺度內，對有效表面積的改變迅速做出響應^[1]，這一特性在洗滌工藝以及噴涂作業(yè)等實(shí)際應用場(chǎng)景中，對于表面活性劑作用效率的發(fā)揮起著(zhù)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(dòng)力學(xué)行為具有重要的理論與實(shí)際意義，特別是在涉及快速潤濕的工藝過(guò)程中，這一研究顯得尤為關(guān)鍵。動(dòng)態(tài)表面張力作為一個(gè)關(guān)鍵參數，為理解快速潤濕過(guò)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(dòng)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(shí)的動(dòng)態(tài)表面張力。本文的應用案例，闡述了利用該儀器自動(dòng)測定不同濃度 Lutensol^®溶液動(dòng)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(jiàn)圖 1），采用最大氣泡壓力法，能夠精確測量液體的動(dòng)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(dòng)態(tài)表面張力（見(jiàn)圖2）^[3]。依據 Young-Laplace 方程，球形氣泡的內部壓力（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(dòng)態(tài)實(shí)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(shí)，其曲率起初增大，隨后減小，在此過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生一個(gè)壓力最大值。當曲率半徑與毛細管半徑相等時(shí)，曲率達到最大，此時(shí)壓力也達到最大值。在已知毛細管半徑的情況下，便可依據最大壓力（p_max）來(lái)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徑，h 為設定的浸入深度，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部壓力。

由圖 2（c）可見(jiàn)，氣泡持續生成并不斷膨脹，直至從毛細管尖端脫離。在前一個(gè)氣泡脫離瞬間，新的氣泡隨即開(kāi)始形成。從氣泡開(kāi)始生長(cháng)直至呈半球形時(shí)，記錄到的壓力達到最大值 Δp_mea,max，此過(guò)程所歷經(jīng)的時(shí)間間隔記為 t* 。因此，氣泡的表面年齡等同于時(shí)間間隔 t，即從氣泡表面形成至呈半球形的這段時(shí)長(cháng)。動(dòng)態(tài)表面張力（σ）正是對應這一表面年齡（t）進(jìn)行測定的。鑒于時(shí)間間隔（t*）的長(cháng)短取決于氣體流速的調控，故而通過(guò)調節氣體流速，便能測定不同表面年齡（t*）下的動(dòng)態(tài)表面張力（σ(t*)）。為滿(mǎn)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(mén)裝置。

實(shí)驗方法

為保證測量精度，在測量過(guò)程中所使用的毛細管需采用高純水予以校準。整個(gè)測量過(guò)程分為兩個(gè)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(dòng)校準測量流程。

4、 系統自動(dòng)生成校準文件，并應用于后續測量。

II. 動(dòng)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，準確設定樣品液體的密度數值。在本項研究里，選用了 “表面年齡掃描" 模式。

3、 啟動(dòng)所選定的測量方法。

4、 測量結果將在軟件中實(shí)時(shí)顯示，并且可針對這些數據展開(kāi)進(jìn)一步的分析處理。

MBP200 具備一系列極具工程價(jià)值與技術(shù)優(yōu)勢的特性。其自動(dòng)表面接觸檢測系統采用先進(jìn)的傳感與控制技術(shù)，能夠依據預設深度精準觸發(fā)浸入進(jìn)程，有效提升了實(shí)驗操作的精度與可重復性。在浸入過(guò)程中，其獨特的氣流管理機制基于流體動(dòng)力學(xué)原理，通過(guò)精確調控氣流參數，可有效阻止液體侵入毛細管，保障測量過(guò)程的穩定性與準確性。

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

結果與討論

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

圖 4：LDU 25 液體加樣單元可讓操作人員自動(dòng)改變研究溶液的濃度。

實(shí)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(shí)的動(dòng)態(tài)表面張力，測量溫度為25℃。如圖5所示，其呈現了不同濃度的Lutensol®溶液在15ms至20000ms這一表面年齡區間內動(dòng)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(shí)，體系的動(dòng)態(tài)表面張力穩定維持在72.5mN/m。在濃度低于0.007 g/l的范圍內，Lutensol®溶液的動(dòng)態(tài)表面張力基本未發(fā)生可觀(guān)測的變化。而當表面活性劑濃度達到0.016 g/l時(shí)，動(dòng)態(tài)表面張力出現急劇下降的趨勢。進(jìn)一步，當表面活性劑濃度高于0.071 g/l時(shí)，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(guān)察到動(dòng)態(tài)表面張力的顯著(zhù)下降。這一現象充分表明，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(dòng)態(tài)表面張力

此外，經(jīng)研究發(fā)現，當Lutensol®溶液濃度超過(guò)0.321 g/l時(shí)，動(dòng)態(tài)表面張力達到平衡狀態(tài)，此時(shí)呈現出極為接近的數值，約為29mN/m。這一實(shí)驗結果意味著(zhù)該濃度已超過(guò)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(dòng)態(tài)表面張力仍存在顯著(zhù)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(shí)所呈現的典型特征現象。

總結

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(dòng)態(tài)表面張力。結合使用 LDU 25 液體加樣單元的自動(dòng)滴定功能，MBP 200 可以針對一系列不同的表面年齡，自動(dòng)測定樣品的動(dòng)態(tài)表面張力隨濃度的變化情況。如本應用所述，它能夠自動(dòng)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(shí)）的動(dòng)態(tài)表面張力差異。這在研究快速作用的表面活性劑時(shí)尤為重要。

鑒于上述優(yōu)勢，MBP 200 氣泡壓力法張力儀無(wú)疑是分析表面活性劑溶液等各類(lèi)液體、深入理解超快潤濕過(guò)程，以及優(yōu)化具備良好動(dòng)態(tài)潤濕性能配方的理想實(shí)驗儀器，為相關(guān)領(lǐng)域的研究和應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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