表面黏度計

自從人們觀察到兩流體間的界面會表現出與其主體液相不同的流變性質以來，界面流變性質的理論和實驗研究已成為廣受關注的課題。

現代界面黏度計主要採用兩類方法測定界面剪下黏度：(1)分析界面速度分布(間接法)；(2)測定界面剪下應力的大小(直接法)。

基本介紹

• 中文名：表面黏度計
• 分類：直接法、間接法
• 用途：測定界面剪下黏度
• 套用：藥劑，化工等

簡介

現代界面黏度計主要採用兩類方法測定界面剪下黏度:(1)分析界面速度分布(間接法);(2)測定界面剪下應力的大小(直接法)。間接法主要包括:①經典的溝渠表面黏度計;②深槽表面黏度計;③旋壁刀表面黏度計等。這一類表面黏度計的靈敏度比較高，一般都能達到。直接法主要包括:①單刀、鈍刀、雙刀等刀刃型表面黏度計;②轉盤表面黏度計;③扭擺表面黏度計;④圓盤表面黏度計等。它們有一個共同的優點，就是不必使用示蹤粒子來確定界面速度分布。下面對幾種主要的表面黏度計分別加以敘述。

間接法(分析界面速度分布)

1、溝渠表面黏度計

Sacchetti等人提出的溝渠界面黏度計。用聚四氟乙烯代替玻璃做渠壁材料，實驗取得了較好的再現性。測定不同條件下硬脂酸和聚乙烯醋酸脂單分子層的剪下黏度。最近Kurnaz和Schwartz提出一種類似的溝渠表面黏度計，但改用布魯斯特角顯微鏡直接觀察溝渠中的表面速度分布。

2、深槽表面黏度計

這種裝置不僅適用於氣液系統μ^s的測定，也適用於氣液系統。深槽表面黏度計，不僅具有較高的靈敏度，且理論分析確切，實驗技術也比較簡單，是套用最廣泛的一種表面黏度計，其主要缺點是需要在界面上放置一個小粒子以觀察界面速度。

3、旋壁刀表面黏度計

由Goodrich等人提出的旋壁刀表面黏度計，不僅克服了刀刃型表面黏度計刀刃放置的困難，而且可獲得高靈敏度，是最靈敏的表面黏度計之一。這種表面黏度計特別適用於中低界面黏度的測定，刀刃越鋒利，靈敏度越高。Goodrich等人先後對硬脂酸單分子層和SDS(十二烷基硫酸鈉)溶液系統進行了測定。

直接法

1、扭矩型表面黏度計

（1）轉盤表面黏度計

該裝置適用於中高表面黏度的測定，其優點是不需使用示蹤粒子，但其靈敏度不高。這種轉盤界面黏度計也適用於液液系統，Oh和Slattery給出了理論分析的結果。他們還提出了一種衍生的轉盤表面黏度計———雙圓錐界面黏度計，即以雙圓錐體替代圓盤，理論分析與轉盤表面黏度計非常相似，靈敏度也不高。

（2）刀刃型表面黏度

Brown等人首先提出了經典的刀刃型表面黏度計———單刀表面黏度計，其後Davies(1957)，Lifshutz等人(1971)提出雙刀表面黏度計，後來Goodrich等人提出鈍刀表面黏度計。這些表面黏度計的測量原理基本相同，具有中等或較低的靈敏度(與轉盤表面黏度計相當)。

有一類衍生的扭矩型表面黏度計，被稱為扭擺表面黏度計。用扭絲懸掛著的轉盤或刀環靜止於界面上，突然給它一個瞬間扭矩，轉盤就開始進行阻尼擺動，通過測定扭擺的阻尼因子和擺動頻率，也可以推算出μ^s。這類表面黏度計被認為具有較高的靈敏度、較好的再現性和精確度。還有一種類似的扭擺界面黏度計，讓裝溶液的底盤進行小振幅正弦擺，測量底盤與界面上薄圓盤的振幅比和相角比，從而推算出μ^s。還有一種測量Langmuir單分子層的二維Couette黏度計，與經典的轉盤表面黏度計有些相似。由刀刃盤維持靜止時扭絲所受扭矩即可算出μ^s。該裝置不僅實驗數據處理簡便，且靈敏度範圍較廣。

2、圓盤表面黏度計

最近，Barentin等人提出了一種圓盤表面黏度計。該表面黏度計適合Gibbs單分子層的剪下黏度的測定。該裝置的主要優點是幾何模型簡單，並能得到解析解。但它不能用於Langmuir單分子層黏度的測定;另一個缺點是，每次實驗都必須對玻璃絲的撓度係數進行校準，且有一定的難度。

Gaub和McConnell也提出一種磁圓盤表面黏度計，一個裝有小磁鐵的玻璃薄圓盤浮在液體表面上，圓盤在外加磁場的作用下旋轉，通過測其粘性阻力，推算出μ^s。

其它種類

1、磁針表面黏度計

磁針表面黏度計由Shahin(1986)首先提出，最近又經過Brooks等人修正，適用於Langmuir單分子層剪下黏度的測定，是一種比較新穎的表面黏度計。與其它表面黏度計相比有很多優點:(1)不需改變儀器的元件就可任意地改變施加的外力;(2)從磁針的位置就可以測定應變速率，不需使用示蹤粒子;(3)對表面應力具有很高的靈敏度;(4)不改變流動器的幾何模型就可方便地改變表面壓和溫度。

可通過選擇合適尺寸的磁針、減小溝渠的寬度、增加溝渠的深度來提高其靈敏度。這種裝置的實驗技術還不十分成熟，有待提高。

2、小球表面黏度計

Petkov等人在前人的基礎上提出一種小球表面黏度計。一個球形小顆粒浮在界面上，在外加毛細力的作用下運動，通過測定小球的阻力係數可推算出μ^s。這種方法與著名的用於測定主體相剪下黏度的Stokes法相似。

這種表面黏度計運用的毛細引力也可用其它方法獲得。該實驗裝置和操作都比較簡單，不用示蹤粒子。缺點是其動力學方程的求解需進行數值計算，且在某些實驗條件下，小球的存在可能會對粘質層(lipid layer)產生擾動，從而影響μ^s測量的準確性。

Krieg等人(1981)提出一種測量氣液系統μ^s的方法，後來Cambridge等人又將它推廣到液液系統。一裝有兩液相的容器緩慢旋轉，容器突然停止轉動，通過觀察界面上的示蹤粒子，測量界面的變形。由示蹤粒子掃過的角度與μ^s、μ、密度、容器的大小等的關聯式可以算得μ^s。

Sohl等人使用高壓電場在表面產生毛細波，測定其表面波的波數和阻尼常數，可推算出μ^s和表面張力。該裝置最大的缺點(也是其優點)是對表面振動過於敏感。Benjamins等人用雙環表面黏度計測定蛋白質吸附層的μ^s。兩個同心玻璃環平放在界面上，外環繞中心軸以一小振幅擺動，內環靜止，內環與扭矩測量裝置相聯。由內環受到的最大扭矩、外環最大振幅、兩環半徑、及扭矩與外環擺動的相角差，經計算可得μ^s。