何为表面张力和界面张力及如何测量

1805年，英国物理学家托马斯·杨（Thomas Young）展示了表面的行为，就好像一层薄膜被拉长在表面上，变成了球形，就像肥皂泡一样。这个现象可作为理解表面张力的起点，该现象在日常生活和多领域均起到重要作用。

在分子层面上，液体分子间的吸引力是产生表面张力的重要因素。从整体层面讲，分子内各方向的作用力是相等的。然而表面分子周围的环境与其相邻分子并不相同，一个向内的合力把分子拉向物体，就形成了一种表面薄膜使其更难移动。图1

图1

表1

相同情况也应用在表面不相溶的两种液体之间，界面张力是产生在相互接触的两种分子界面上的力。

如果液体表面积增加，则界面上存在更多分子。因此表面液体相较于内部液体表面自由能更高。表面张力是增加每单位面积的能量，表面张力和界面张力的单位为mN/m。一部分纯液体的表面张力数值如表1所示。水的表面张力比有机液体的表面张力高，只有甘油的表面张力与水接近。水和甘油由于含有氢键是强极性液体，故其表面张力高。

纯液体表面张力大小的最主要影响因素为温度。实验发面表面张力随温度的降低呈线性减小。当温度降低，分子热活性增加导致粘结性降低，因此导致表面张力下降。

另一个影响表面张力的因素为压力。在大部分应用中压力对表面张力的影响并不大，但如果过程发生在高压情况下即需考虑压力因素，包括提高采收率和超临界流体，一般来说气体在液体中的溶解度随压力的增大而增大，此时表面张力降低。二氧化碳和水在不同压力下的表界面张力如图3所示。界面张力随压力的增加而降低，一般到达120bar界面张力相对平稳。

图3

图4

纯净液体的表面张力很容易受到某些物质的影响，这部分物质称为表面活性剂。表面活性剂是包括亲水基团和疏水基团的两性分子如图4所示。当表面活性剂溶解到水中，会聚集到表面，因此亲水基团在水中，疏水基团在空气中，随着表面的水分子被表面活性剂分子替代，水和表面活性剂分子间的作用力小于水与水之间的作用力，因此表面张力降低。表面活性剂对表现张力的影响取决于其浓度，该浓度可通过临界胶束浓度参数表征。

除了表面活性剂的效率外，表面活性剂的起效速度在工业过程中也很重要。这是分子在界面上排列的速率。通常大分子表面活性剂反应较慢，在界面上排列花费的时间更长，从而需要更多的时间，直到达到平衡的表面张力。

在工业过程中通常使用表面活性剂降低液体表面和界面张力。表面张力的降低会增强液体的分散性，对染料和洗涤剂的生产起到重要作用。在表界面优化的领域中，界面张力的测量是至关重要的。

Thomas Young发现了毛细作用和表面张力，毛细作用最先作为表面张力测量方法。如今，由于自动化和更换溶液快速等特点，力学法和光学法测量静态表面和界面张力得到了广泛的应用。

力学和光学张力测量法均是测试表面和界面张力的重要工具。由于两种方法测量快速，便捷，已广泛应用的各领域。对于任何测量方法来讲，均有其优势与劣势。

在该应用文章中，我们简单的介绍了表面张力和界面张力的测试方法，并且讨论了各测量方法的优缺点。具体的测量方法需根据应用方向决定。更多相关信息参见应用文章“如何针对应用领域选择最优测量方法”