表面張力とは
表面張力は、dAによって表面を拡張するために必要な仕事dWとして定義されます。したがって、これは、単位面積の新しい表面を形成するために必要なエネルギー、つまり表面エネルギーの直接的な尺度です。表面張力は、あらゆる表面または界面の特性ですが、液体に対してのみ直接測定可能です。表面張力は、界面またはその近くに存在する分子の方向に依存する力から生じます。表面張力は一般的にN / m（SI単位）で表されます。
通常、極性溶媒は、非極性溶媒よりも表面張力が高くなります。たとえば、水の表面張力が高い（20°Cで72.8 mN / m）のは、強い分子間水素結合（隣接する水分子の部分的に正の水素と部分的に負の酸素原子の間の静電相互作用）によるものです。分子間力が弱いほど、表面張力は低くなります（たとえば、オクタンの表面張力は21.6 mN / mです）。通常、「界面張力」という用語は2つの液体間の張力に使用されますが、「表面張力」はより一般的で、通常は気液界面を指します。
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表面張力が関係するのはいつですか
表面張力はシステムの特性に影響を与えます。システムの寸法が小さいほど、より重要な表面張力になります。例としては、エマルジョン、ミスト、フォーム、核形成&相の形成などがあります。表面張力は、特に濡れ、接着、およびメニスカスの形状において、より大きなスケールでも関係があります。寸法がマイクロからミリメートルの範囲にある場合、ダイナミクスは粘度、密度、および表面張力のバランスによって与えられます。さらに、表面張力は品質管理のための簡単に測定できるパラメータです。
界面活性剤
界面活性剤は、表面または界面で濃縮される、つまり界面で吸着する分子です。一般に、界面活性剤は親水性部分と疎水性部分を含むため、水溶液中では、疎水性部分との表面を空気に向けて配置することにより、疎水性部分との水接触を回避することができる。界面活性剤の吸着により表面張力が低下します。この現象は、濡れを改善するためによく使用されます。吸着と表面張力の詳細については、下の画像をクリックしてください。
界面活性剤は、ミセルへの自己組織化というもう1つの重要な特性を示します。ミセル化は、多くの界面活性剤が1つのミセルを形成するという点で相形成に似ています。したがって、ミセル化はかなり狭い濃度範囲（臨界ミセル濃度、CMC）で発生し、界面活性剤をさらに添加すると、界面活性剤モノマーの濃度ではなくミセル濃度が増加します。その結果、表面張力は、CMCまでの総界面活性剤濃度の増加とともに減少し、その後一定に保たれます。したがって、表面張力測定はミセル化を研究するための便利な方法です。
表面張力の測定
表面張力を測定するためのいくつかの方法が開発されています。光学技術では、液滴またはメニスカスの形状は通常、コンピューターを使用して分析されます。形状は、液体に作用する力、つまり表面張力と重力の間の機械的平衡を想定しています。正確な結果を得るには、光学セットアップを適切に較正する必要があり、さらに液滴の輪郭を正確に決定する必要があります。
気泡圧力張力測定では、表面張力により、気泡の内側の圧力が液滴の外側よりも高いという事実を利用します。半径と液滴の形状がわかっている場合は、圧力差から表面張力を計算できます。いくつかの簡単な仮定で、チューブを溶液に浸すだけで表面張力の粗い測定に適した、使いやすく堅牢な機器を構築できます。スタラゴメトリーは、気泡圧力技術のバリエーションです。圧力差を測定する代わりに、毛細管を通る液体の流量が、粘性力と毛細管の先端の液滴からの逆圧とは反対の重力によって決定されるという事実。
表面張力を測定する最も古い手法は、液体がプローブに及ぼす力を測定することです。プローブでの接触角がわかっている場合、力張力測定技術はかなり正確です。十分に濡れた材料を選択し、接触角がゼロであると仮定します。水溶液の場合、これは親水性材料の使用を意味します。最も一般的な素材はプラチナです。制御された不活性雰囲気下で行われた実験は、水が実際にプラチナを完全に濡らすことを示しました。ただし、周囲の空気に含まれる多くの化合物は白金に強く吸着し、その影響は炎上から数分以内に観察されます。したがって、プローブは洗浄後すぐに測定液に浸す必要があります。
キブロンのダイネプローブは、親水性酸化物をベースにしています。熱炎を使用して火炎洗浄すると、酸化物層が活性化されて非常に親水性の状態になります。プラチナよりも空気中の汚染物質に対して安定していますが、時間とともに不動態化します。したがって、適切な火炎洗浄手順は避けられません。力張力測定には、ウィルヘルミー法とデュヌイ法の2つのサブテクニックがあります。ウィルヘルミー法では、プローブはインターフェース内で静止状態に保たれ、優先的にはインターフェースとの下端レベル（遠距離）に保持されます。この時点では、浮力を修正する必要はありません。いわゆるウィルヘルミープレートと棒状プローブの両方を使用して測定を行うことができます。
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| デュヌイ法 | ウィルヘルミー法 |
DuNouy（最大引張力）法では、プローブがゆっくりであるため、表面張力が記録されます。液体から引き抜かれました。プローブは通常、デュヌイリングまたは垂直ロッドです。プローブの動きは、有利には、静止接触角よりも小さくなる傾向がある後退接触角を提供する。この手法の欠点は、プローブが完全に表面上にある最大力のポイントに対応する負の浮力項を考慮する必要があることです。細いロッドプローブの場合、浮力項は比較的小さく、修正が容易ですが、リングの場合、浮力項は重要であり、リングの断面形状によって計算が複雑になります。
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