2实验部分

实验采用SL200A型接触角仪来产生液滴，获取液滴图像。该仪器的主机如图2所示，主要组成部件为:光源控制部件(可调亮度LED光源)、CCD镜头(75 mm焦距，25帧/秒)、进样器控制部件(可升降12.5 mm，0.01 mm微距)、样品台部件(样品台面50×50 mm)、图像采集卡(25帧/秒)、手动控制微量进样器(10、25、50μL)。实验采用表面张力与接触角分析系统的CAST2.0软件控制拍摄过程。采用连续拍摄方式，图像采集速率为25帧/s，连拍100帧，获取液滴图像。实验样品为黏度系数为50 mm2/s、100 mm2/s、350 mm2/s、500 mm2/s的硅油，其中黏度系数为50 mm2/s、100 mm2/s的硅油密度σ为965 kg/m3，黏度系数为350 mm2/s、500 mm2/s的硅油密度σ为970 kg/m3[14]。

图2 SL200A型接触角仪主机

3结果与讨论

3.1液滴的形成与选择

由于液滴形态是影响表面张力测量准确度的重要因素，液滴的控制与选择是提高测量准确度的关键步骤。图3为采用10μL微量进样器缓慢增加液体量时的液滴形态照片，样品为黏度系数50 mm2/s的硅油，其中图3(a)为液滴刚形成时的形态图像，图3(d)为液滴下落前平衡时的形态图像，图3(e)为液滴下落时的形态图像。根据照片得到悬停液滴的形状因子S=ds/de分别为:(a)0.746;(b)0.744;(c)0.744;(d)0.739，因此，随着液滴中液体量的增加，悬滴从近球形变化为椭球形，形状因子稍稍减小。根据式(3)计算得到不同液滴形态下的硅油表面张力系数，分别为:(a)0.019 1 N/m、(b)0.019 2 N/m、(c)0.019 5 N/m、(d)0.019 7 N/m。由此可见，对于同一种液体，当液滴处于不同形态时，计算得到的表面张力系数存在差别。根据文献[14]，黏度系数50 mm2/s的线性结构甲基硅油的表面张力系数为0.020 5 N/m，因此，对于不同形态的液滴，测量的相对误差分别为:(a)6.8%;(b)6.3%;(c)4.9%;(d)3.9%。结果表明，当液滴达到下落前的临界状态时，测量的相对误差最小。实验还采用了25、50μL的微量进样器来产生液滴，发现由于每次液体量的增加较多，表面张力和重力相平衡的临界状态较难控制，难于形成较好的悬滴。因此，采用悬滴法测量液体表面张力系数时，通过小容量(例如10μL)的微量进样器控制液滴形态，选择液滴下落前平衡时的形态图像，可以减小测量的相对误差，获得接近真实值的表面张力系数。

图3液滴从形成到下落瞬间的形态照片

3.2硅油黏滞性对表面张力的影响

根据液滴的形成过程，实验选用液滴下落前的临界悬停状态图像，进一步测量了不同黏滞性硅油的表面张力系数，图4为黏度系数为50、100、350和500 mm2/s硅油样品的悬滴形态照片。

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

根据照片得到悬停液滴的形状因子S分别为:(a)0.746;(b)0.757;(c)0.778;(d)0.789，由式(3)计算得到硅油样品的表面张力系数分别为:(a)0.019 7 N/m;(b)0.019 9 N/m;(c)0.020 1 N/m;(d)0.021 3 N/m。与线性结构甲基硅油的表面张力系数(50 mm2/s的硅油为0.020 5 N/m，350 mm2/s的硅油为0.021 1 N/m[14])相比较，测量的相对误差分别为3.9%、4.7%，接近悬滴法测量液体表面张力系数所能达到的最大精度(相对误差为2%～3%)[13]。根据测量结果，得到硅油表面张力系数随其黏滞系数的变化关系，如图5所示。可见硅油表面张力系数随着黏度系数的增加稍稍增大，硅油黏滞性对其表面张力稍有影响。这种影响与液体内部分子之间的相互作用有关。随着液体黏滞性增加，液体的流动性变差，液体表面对液体分子的约束作用增强，导致其表面张力增大。

黏滞系数/(mm2·s-1)

4结论

本实验采用悬滴法开展了硅油黏滞液体表面张力的测量技术探究。通过微量进样控制技术，并采用动态过程的连续图像采集方法，获得了不同液体量时的液滴形态变化，利用表面张力和重力相平衡的临界状态液滴照片，测量了不同黏滞性硅油的表面张力系数，测量数据的相对误差为4%左右，接近悬滴法测量液体表面张力系数的最大精度。在大学物理实验的拉脱法实验基础上，进一步开展黏滞液体表面张力的悬滴法测量探究，对于拓展大学生的创新实验能力，具有重要作用。