표면,계면장력에 대해서

표면,계면장력에 대해서

컵에 물을 채웠을 때 넘칠 것 같아도 좀처럼 물이 넘치지 않는 현상이 발생합니다.

이것은 물의 분자가 분자간력이라고 하는 분자끼리가 서로 끌어당겨 응집. 모이려는 힘에 의해 가능한 한 표면적이 작은 상태가 되려고 하기 때문에 발생합니다.

이 성질을 계면장력이라고 부르며 액상/기상 간의 경우를 특히 표면장력이라고 부릅니다.

표면장력은 중요한 액체의 물성 중 하나이며, 물건의 젖음성에 대해서도 큰 영향을 미치는 파라미터입니다.

그 때문에, 기초적인 물성으로서 많은 연구 분야나 생산 현장에서 표면 장력의 측정을 하고 있습니다.

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표면(계면) 장력은 어떻게 측정하는가?

표면(계면) 장력의 측정방법에는 많은 방법이 있으며 측정하고 싶은 표면장력의 범위나 표면(계면)이 생긴 후 어느 정도의 시간동안 표면장력을 측정하느냐에 따라 방법이 달라집니다.

측정하고자 하는 표면장력을 충분히 검토한 후 측정방법을 선택해야 합니다

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Wilhelmy법(플레이트법)

기본적인 표면(계면) 장력의 측정방법으로 많이 보급되어 있는 방법으로 오래전부터 사용되어 온 방법입니다.

백금 플레이트를 액체에 담그고, 그 때 액체가 플레이트를 끌어들이려는 방향으로 발생하는 힘을 저울로 측정하여 표면 장력을 계산하는 방법입니다.

최소로 1mN/m까지의 표면(계면) 장력을 측정할 수 있습니다.

젖은 길이의 파라미터를 알고 있으면 필름이나 실 모양의 샘플을 사용할 수도 있습니다.

 

Du Noüy법(PT링법,링법)

Wilhelmy법과 함께 널리 쓰이는 것이 링법입니다.

마찬가지로 전용 링을 액체에 담그는데, 몸에서 뗄 때 저울에 걸리는 힘을 측정하는 것으로 표면 장력을 계산합니다.

마찬가지로 최소로 1mN/m까지의 표면(계면) 장력을 측정할 수 있습니다.

이 방법에서는 라멜라 길이라는 파라미터도 측정할 수 있습니다.

펜던트 드롭법(현적법)

니들 끝에 액체 샘플의 물방울을 작성하고, 화상 해석으로 표면(계면) 장력을 계산하는 방법입니다.

측정방법에서 접촉각계와 같은 장치로 측정이 가능하므로 널리 사용 되어있습니다.

해석에는 Young-Laplace법이라는 방법을 사용하여 0.01m N/m 정도까지의 측정이 가능하며 경시변화를 모니터링하기도 용이한 방법입니다.

펜던트 드롭법의 주의점은 액적을 옆에서 화상으로 포착하기 때문에 적어도 벌크용액은 안의 드롭이 보이는 정도로 투명해야 합니다.

또, 측정에는 벌크측, 드롭측의 밀도값이 필요하고, 그 값이 틀리면 올바른 표면·계면장력값을 얻는다.

할 수는 없습니다.

액체-액간의 계면장력 측정의 경우, 드롭 쪽이 저밀도이면 드롭은 떠 버리기 때문에, 그 경우는 라이징 드롭법이라고 하는, 상향으로 드랍을 형성하는 방법을 사용합니다.

위 사진은 얇은 세제용액(벌크)내에서 식용유 드롭을 형성했을 때의 사진입니다.

드랍은 형성됨과 동시에 계면활성제(세제의 분자)의 흡착이 시작되고 동시에 계면장력의 저하가 발생합니다.

이 방법으로는 경시변화도 측정할 수 있으므로 어느 정도의 속도로 계면장력 저하가 일어날까, 라는 평가를 실시할 수도 있습니다.

펜던트 드롭법은 접촉각계의 케이스를 사용하여 측정합니다.

다양한 환경(고온, 저산소 상황하, 고압화)에서 측정하고 싶은 경우는 거기에 대응한 접촉 각계를 선택하십시오.

 

스피닝 드롭법

상기 3가지 방법으로도 측정할 수 없는 낮은 계면장력을 측정하고 싶은 경우에는 스피닝 드롭법을 추천합니다.

스피닝 드롭법은 저밀도 용액을 보충했다 캐피라리 내에 고밀도 용액의 액적을 주입하고 그 캐피럴리를 고속 회전시켰을 때 생기는 액적의 이미지를 분석하여 측정합니다.

 

 

버블 압력법(최대 포압법)

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계면활성제 등 계면이 형성되었을 때 표면장력을 낮추는 기능을 가진 물질이 포함된 액체에서는 계면이 생긴 직후부터 역동적으로 표면(계면)장력이 변화합니다.

따라서 매우 짧은 시간에 젖는 습성 등 쉽게 젖는 데 시간적 요인이 더해지는 장면에서는 동적인 표면장력 측정이 효과적입니다.

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동적 표면 장력 측정에서 가장 널리 사용되는 방법은 버블 압박법입니다.

지름이 이미 알려진 캐피럴리를 액체에 삽입하고 캐피럴리에 기체를 보내어 선단에 생기는 기포의 압력으로부터 표면장력을 계산합니다.

기체의 주입량을 변경함으로써 계면의 형성되는 속도를 변화시켜 계면의 형성속도별 표면장력의 변화를 측정 정합니다.

계면이 형성되기 시작한 후 압력이 최대가 될 때까지의 시간을 '표면수명(Surface Age)'이라 부르며 동적 표면장력 측정을 평가하는 시간의 파라미터로 되어 있습니다.

*KRUSS사의 동적 표면 장력계에서는 최고 레벨의 5밀리초라고 하는 매우 짧은 표면 수명으로의 측정이 가능합니다(단 샘플에 의함).

드롭볼륨법

몇 초의 주문에서 계면 수명별 계면장력 측정 방법으로 드롭 볼륨법이 있습니다.

고밀도층 내에 캐피럴리에서 저밀도액을 일정 유량으로 주입하고 캐피럴리에서 유리되는 액적의 체적으로 계면장력을 계산합니다.

주입하는 것을 기체로 하면 표면 장력의 측정도 할 수 있습니다.

 

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