[科普中国]-表面黏度计

自从人们观察到两流体间的界面会表现出与其主体液相不同的流变性质以来，界面流变性质的理论和实验研究已成为广受关注的课题。

现代界面黏度计主要采用两类方法测定界面剪切黏度：(1)分析界面速度分布(间接法)；(2)测定界面剪切应力的大小(直接法)。

简介现代界面黏度计主要采用两类方法测定界面剪切黏度:(1)分析界面速度分布(间接法);(2)测定界面剪切应力的大小(直接法)。间接法主要包括:①经典的沟渠表面黏度计;②深槽表面黏度计;③旋壁刀表面黏度计等。这一类表面黏度计的灵敏度比较高，一般都能达到。直接法主要包括:①单刀、钝刀、双刀等刀刃型表面黏度计;②转盘表面黏度计;③扭摆表面黏度计;④圆盘表面黏度计等。它们有一个共同的优点，就是不必使用示踪粒子来确定界面速度分布。下面对几种主要的表面黏度计分别加以叙述。1

间接法(分析界面速度分布)1、沟渠表面黏度计

Sacchetti等人提出的沟渠界面黏度计。用聚四氟乙烯代替玻璃做渠壁材料，实验取得了较好的再现性。测定不同条件下硬脂酸和聚乙烯醋酸脂单分子层的剪切黏度。最近Kurnaz和Schwartz提出一种类似的沟渠表面黏度计，但改用布鲁斯特角显微镜直接观察沟渠中的表面速度分布。

2、深槽表面黏度计

这种装置不仅适用于气液系统μs的测定，也适用于气液系统。深槽表面黏度计，不仅具有较高的灵敏度，且理论分析确切，实验技术也比较简单，是应用最广泛的一种表面黏度计，其主要缺点是需要在界面上放置一个小粒子以观察界面速度。

3、旋壁刀表面黏度计

由Goodrich等人提出的旋壁刀表面黏度计，不仅克服了刀刃型表面黏度计刀刃放置的困难，而且可获得高灵敏度，是最灵敏的表面黏度计之一。这种表面黏度计特别适用于中低界面黏度的测定，刀刃越锋利，灵敏度越高。Goodrich等人先后对硬脂酸单分子层和SDS(十二烷基硫酸钠)溶液系统进行了测定。1

直接法1、扭矩型表面黏度计

（1）转盘表面黏度计

该装置适用于中高表面黏度的测定，其优点是不需使用示踪粒子，但其灵敏度不高。这种转盘界面黏度计也适用于液液系统，Oh和Slattery给出了理论分析的结果。他们还提出了一种衍生的转盘表面黏度计———双圆锥界面黏度计，即以双圆锥体替代圆盘，理论分析与转盘表面黏度计非常相似，灵敏度也不高。

（2）刀刃型表面黏度

Brown等人首先提出了经典的刀刃型表面黏度计———单刀表面黏度计，其后Davies(1957)，Lifshutz等人(1971)提出双刀表面黏度计，后来Goodrich等人提出钝刀表面黏度计。这些表面黏度计的测量原理基本相同，具有中等或较低的灵敏度(与转盘表面黏度计相当)。

有一类衍生的扭矩型表面黏度计，被称为扭摆表面黏度计。用扭丝悬挂着的转盘或刀环静止于界面上，突然给它一个瞬间扭矩，转盘就开始进行阻尼摆动，通过测定扭摆的阻尼因子和摆动频率，也可以推算出μs。这类表面黏度计被认为具有较高的灵敏度、较好的再现性和精确度。还有一种类似的扭摆界面黏度计，让装溶液的底盘进行小振幅正弦摆，测量底盘与界面上薄圆盘的振幅比和相角比，从而推算出μs。还有一种测量Langmuir单分子层的二维Couette黏度计，与经典的转盘表面黏度计有些相似。由刀刃盘维持静止时扭丝所受扭矩即可算出μs。该装置不仅实验数据处理简便，且灵敏度范围较广。

2、圆盘表面黏度计

最近，Barentin等人提出了一种圆盘表面黏度计。该表面黏度计适合Gibbs单分子层的剪切黏度的测定。该装置的主要优点是几何模型简单，并能得到解析解。但它不能用于Langmuir单分子层黏度的测定;另一个缺点是，每次实验都必须对玻璃丝的挠度系数进行校准，且有一定的难度。

Gaub和McConnell也提出一种磁圆盘表面黏度计，一个装有小磁铁的玻璃薄圆盘浮在液体表面上，圆盘在外加磁场的作用下旋转，通过测其粘性阻力，推算出μs。1

其它种类1、磁针表面黏度计

磁针表面黏度计由Shahin(1986)首先提出，最近又经过Brooks等人修正，适用于Langmuir单分子层剪切黏度的测定，是一种比较新颖的表面黏度计。与其它表面黏度计相比有很多优点:(1)不需改变仪器的元件就可任意地改变施加的外力;(2)从磁针的位置就可以测定应变速率，不需使用示踪粒子;(3)对表面应力具有很高的灵敏度;(4)不改变流动器的几何模型就可方便地改变表面压和温度。

可通过选择合适尺寸的磁针、减小沟渠的宽度、增加沟渠的深度来提高其灵敏度。这种装置的实验技术还不十分成熟，有待提高。

2、小球表面黏度计

Petkov等人在前人的基础上提出一种小球表面黏度计。一个球形小颗粒浮在界面上，在外加毛细力的作用下运动，通过测定小球的阻力系数可推算出μs。这种方法与著名的用于测定主体相剪切黏度的Stokes法相似。

这种表面黏度计运用的毛细引力也可用其它方法获得。该实验装置和操作都比较简单，不用示踪粒子。缺点是其动力学方程的求解需进行数值计算，且在某些实验条件下，小球的存在可能会对粘质层(lipid layer)产生扰动，从而影响μs测量的准确性。

Krieg等人(1981)提出一种测量气液系统μs的方法，后来Cambridge等人又将它推广到液液系统。一装有两液相的容器缓慢旋转，容器突然停止转动，通过观察界面上的示踪粒子，测量界面的变形。由示踪粒子扫过的角度与μs、μ、密度、容器的大小等的关联式可以算得μs。

Sohl等人使用高压电场在表面产生毛细波，测定其表面波的波数和阻尼常数，可推算出μs和表面张力。该装置最大的缺点(也是其优点)是对表面振动过于敏感。Benjamins等人用双环表面黏度计测定蛋白质吸附层的μs。两个同心玻璃环平放在界面上，外环绕中心轴以一小振幅摆动，内环静止，内环与扭矩测量装置相联。由内环受到的最大扭矩、外环最大振幅、两环半径、及扭矩与外环摆动的相角差，经计算可得μs。1

本词条内容贡献者为:

王宁 - 副教授 - 西南大学