2實驗部分

實驗采用SL200A型接觸角儀來產生液滴，獲取液滴圖像。該儀器的主機如圖2所示，主要組成部件為:光源控制部件(可調亮度LED光源)、CCD鏡頭(75 mm焦距，25幀/秒)、進樣器控制部件(可升降12.5 mm，0.01 mm微距)、樣品臺部件(樣品臺面50×50 mm)、圖像采集卡(25幀/秒)、手動控制微量進樣器(10、25、50μL)。實驗采用表面張力與接觸角分析系統的CAST2.0軟件控制拍攝過程。采用連續拍攝方式，圖像采集速率為25幀/s，連拍100幀，獲取液滴圖像。實驗樣品為黏度系數為50 mm2/s、100 mm2/s、350 mm2/s、500 mm2/s的硅油，其中黏度系數為50 mm2/s、100 mm2/s的硅油密度σ為965 kg/m3，黏度系數為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

3結果與討論

3.1液滴的形成與選擇

由于液滴形態是影響表面張力測量準確度的重要因素，液滴的控制與選擇是提高測量準確度的關鍵步驟。圖3為采用10μL微量進樣器緩慢增加液體量時的液滴形態照片，樣品為黏度系數50 mm2/s的硅油，其中圖3(a)為液滴剛形成時的形態圖像，圖3(d)為液滴下落前平衡時的形態圖像，圖3(e)為液滴下落時的形態圖像。根據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。根據式(3)計算得到不同液滴形態下的硅油表面張力系數，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，對于同一種液體，當液滴處于不同形態時，計算得到的表面張力系數存在差別。根據文獻[14]，黏度系數50 mm2/s的線性結構甲基硅油的表面張力系數為0.020 5 N/m，因此，對于不同形態的液滴，測量的相對誤差分別為:(a)6.8%;(b)6.3%;(c)4.9%;(d)3.9%。結果表明，當液滴達到下落前的臨界狀態時，測量的相對誤差最小。實驗還采用了25、50μL的微量進樣器來產生液滴，發現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較難控制，難于形成較好的懸滴。因此，采用懸滴法測量液體表面張力系數時，通過小容量(例如10μL)的微量進樣器控制液滴形態，選擇液滴下落前平衡時的形態圖像，可以減小測量的相對誤差，獲得接近真實值的表面張力系數。

圖3液滴從形成到下落瞬間的形態照片

3.2硅油黏滯性對表面張力的影響

根據液滴的形成過程，實驗選用液滴下落前的臨界懸停狀態圖像，進一步測量了不同黏滯性硅油的表面張力系數，圖4為黏度系數為50、100、350和500 mm2/s硅油樣品的懸滴形態照片。

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

根據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)計算得到硅油樣品的表面張力系數分別為:(a)0.019 7 N/m;(b)0.019 9 N/m;(c)0.020 1 N/m;(d)0.021 3 N/m。與線性結構甲基硅油的表面張力系數(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，測量的相對誤差分別為3.9%、4.7%，接近懸滴法測量液體表面張力系數所能達到的最大精度(相對誤差為2%～3%)[13]。根據測量結果，得到硅油表面張力系數隨其黏滯系數的變化關系，如圖5所示。可見硅油表面張力系數隨著黏度系數的增加稍稍增大，硅油黏滯性對其表面張力稍有影響。這種影響與液體內部分子之間的相互作用有關。隨著液體黏滯性增加，液體的流動性變差，液體表面對液體分子的約束作用增強，導致其表面張力增大。

黏滯系數/(mm2·s-1)

4結論

本實驗采用懸滴法開展了硅油黏滯液體表面張力的測量技術探究。通過微量進樣控制技術，并采用動態過程的連續圖像采集方法，獲得了不同液體量時的液滴形態變化，利用表面張力和重力相平衡的臨界狀態液滴照片，測量了不同黏滯性硅油的表面張力系數，測量數據的相對誤差為4%左右，接近懸滴法測量液體表面張力系數的最大精度。在大學物理實驗的拉脫法實驗基礎上，進一步開展黏滯液體表面張力的懸滴法測量探究，對于拓展大學生的創新實驗能力，具有重要作用。