2實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)采用SL200A型接觸角儀來(lái)產(chǎn)生液滴，獲取液滴圖像。該儀器的主機(jī)如圖2所示，主要組成部件為:光源控制部件(可調(diào)亮度LED光源)、CCD鏡頭(75 mm焦距，25幀/秒)、進(jìn)樣器控制部件(可升降12.5 mm，0.01 mm微距)、樣品臺(tái)部件(樣品臺(tái)面50×50 mm)、圖像采集卡(25幀/秒)、手動(dòng)控制微量進(jìn)樣器(10、25、50μL)。實(shí)驗(yàn)采用表面張力與接觸角分析系統(tǒng)的CAST2.0軟件控制拍攝過(guò)程。采用連續(xù)拍攝方式，圖像采集速率為25幀/s，連拍100幀，獲取液滴圖像。實(shí)驗(yàn)樣品為黏度系數(shù)為50 mm2/s、100 mm2/s、350 mm2/s、500 mm2/s的硅油，其中黏度系數(shù)為50 mm2/s、100 mm2/s的硅油密度σ為965 kg/m3，黏度系數(shù)為350 mm2/s、500 mm2/s的硅油密度σ為970 kg/m3[14]。

圖2 SL200A型接觸角儀主機(jī)

3結(jié)果與討論

3.1液滴的形成與選擇

由于液滴形態(tài)是影響表面張力測(cè)量準(zhǔn)確度的重要因素，液滴的控制與選擇是提高測(cè)量準(zhǔn)確度的關(guān)鍵步驟。圖3為采用10μL微量進(jìn)樣器緩慢增加液體量時(shí)的液滴形態(tài)照片，樣品為黏度系數(shù)50 mm2/s的硅油，其中圖3(a)為液滴剛形成時(shí)的形態(tài)圖像，圖3(d)為液滴下落前平衡時(shí)的形態(tài)圖像，圖3(e)為液滴下落時(shí)的形態(tài)圖像。根據(jù)照片得到懸停液滴的形狀因子S=ds/de分別為:(a)0.746;(b)0.744;(c)0.744;(d)0.739，因此，隨著液滴中液體量的增加，懸滴從近球形變化為橢球形，形狀因子稍稍減小。根據(jù)式(3)計(jì)算得到不同液滴形態(tài)下的硅油表面張力系數(shù)，分別為:(a)0.019 1 N/m、(b)0.019 2 N/m、(c)0.019 5 N/m、(d)0.019 7 N/m。由此可見(jiàn)，對(duì)于同一種液體，當(dāng)液滴處于不同形態(tài)時(shí)，計(jì)算得到的表面張力系數(shù)存在差別。根據(jù)文獻(xiàn)[14]，黏度系數(shù)50 mm2/s的線性結(jié)構(gòu)甲基硅油的表面張力系數(shù)為0.020 5 N/m，因此，對(duì)于不同形態(tài)的液滴，測(cè)量的相對(duì)誤差分別為:(a)6.8%;(b)6.3%;(c)4.9%;(d)3.9%。結(jié)果表明，當(dāng)液滴達(dá)到下落前的臨界狀態(tài)時(shí)，測(cè)量的相對(duì)誤差最小。實(shí)驗(yàn)還采用了25、50μL的微量進(jìn)樣器來(lái)產(chǎn)生液滴，發(fā)現(xiàn)由于每次液體量的增加較多，表面張力和重力相平衡的臨界狀態(tài)較難控制，難于形成較好的懸滴。因此，采用懸滴法測(cè)量液體表面張力系數(shù)時(shí)，通過(guò)小容量(例如10μL)的微量進(jìn)樣器控制液滴形態(tài)，選擇液滴下落前平衡時(shí)的形態(tài)圖像，可以減小測(cè)量的相對(duì)誤差，獲得接近真實(shí)值的表面張力系數(shù)。

圖3液滴從形成到下落瞬間的形態(tài)照片

3.2硅油黏滯性對(duì)表面張力的影響

根據(jù)液滴的形成過(guò)程，實(shí)驗(yàn)選用液滴下落前的臨界懸停狀態(tài)圖像，進(jìn)一步測(cè)量了不同黏滯性硅油的表面張力系數(shù)，圖4為黏度系數(shù)為50、100、350和500 mm2/s硅油樣品的懸滴形態(tài)照片。

(a)50 mm2/s(b)100 mm2/s(c)350 mm2/s(d)500 mm2/s

根據(jù)照片得到懸停液滴的形狀因子S分別為:(a)0.746;(b)0.757;(c)0.778;(d)0.789，由式(3)計(jì)算得到硅油樣品的表面張力系數(shù)分別為:(a)0.019 7 N/m;(b)0.019 9 N/m;(c)0.020 1 N/m;(d)0.021 3 N/m。與線性結(jié)構(gòu)甲基硅油的表面張力系數(shù)(50 mm2/s的硅油為0.020 5 N/m，350 mm2/s的硅油為0.021 1 N/m[14])相比較，測(cè)量的相對(duì)誤差分別為3.9%、4.7%，接近懸滴法測(cè)量液體表面張力系數(shù)所能達(dá)到的最大精度(相對(duì)誤差為2%～3%)[13]。根據(jù)測(cè)量結(jié)果，得到硅油表面張力系數(shù)隨其黏滯系數(shù)的變化關(guān)系，如圖5所示。可見(jiàn)硅油表面張力系數(shù)隨著黏度系數(shù)的增加稍稍增大，硅油黏滯性對(duì)其表面張力稍有影響。這種影響與液體內(nèi)部分子之間的相互作用有關(guān)。隨著液體黏滯性增加，液體的流動(dòng)性變差，液體表面對(duì)液體分子的約束作用增強(qiáng)，導(dǎo)致其表面張力增大。

黏滯系數(shù)/(mm2·s-1)

4結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)采用懸滴法開(kāi)展了硅油黏滯液體表面張力的測(cè)量技術(shù)探究。通過(guò)微量進(jìn)樣控制技術(shù)，并采用動(dòng)態(tài)過(guò)程的連續(xù)圖像采集方法，獲得了不同液體量時(shí)的液滴形態(tài)變化，利用表面張力和重力相平衡的臨界狀態(tài)液滴照片，測(cè)量了不同黏滯性硅油的表面張力系數(shù)，測(cè)量數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差為4%左右，接近懸滴法測(cè)量液體表面張力系數(shù)的最大精度。在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的拉脫法實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開(kāi)展黏滯液體表面張力的懸滴法測(cè)量探究，對(duì)于拓展大學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ哂兄匾饔谩?