2024年6月12日发(作者：蓬雨)
表面张力测试方法综述
一、力学法
力学法是利用探针与液体或固体表面接触时所受到的力来计算表面张力或界面张力的方法。这种方法需要使用特定形状
和材质的探针，如杜氏环、威廉板、铂金板等，以及灵敏的天平或压力传感器。力学法的优点是操作简单，适用于各种
类型的液体和固体，不受温度和电导率的影响。力学法的缺点是受到探针的清洁度、润湿性、振动等因素的影响，精度
较低，不能测量动态表面张力。
1.1 杜氏环法
杜氏环法是一种常用的力学法，它使用一个由铂金丝制成的环形探针，将其浸入液体中，然后缓慢地提起，直到探针与
液体表面脱离。在这个过程中，液体会在探针周围形成一个薄膜，对探针产生一个向下拉的力。这个力与液体的表面张
力成正比，通过测量这个力可以计算出表面张力。杜氏环法适用于测量纯净液体或稀溶液的表面张力，也可以测量两种
不相混溶的液体之间的界面张力。杜氏环法的计算公式为：
γ=
F
4πR
其中γ为表面张力或界面张力，F为探针所受到的最大拉力，R为探针的半径。
1.2 威廉板法
威廉板法是一种改进的杜氏环法，它使用一个由铂金制成的矩形板作为探针，将其水平地放置在液体表面上，然后缓慢
地提起，直到探针与液体表面脱离。在这个过程中，液体会在探针两侧形成两个薄膜，对探针产生一个向下拉的力。这
个力与液体的表面张力成正比，通过测量这个力可以计算出表面张力。威廉板法适用于测量纯净液体或稀溶液的表面张
力，也可以测量两种不相混溶的液体之间的界面张力。威廉板法的计算公式为：
γ=
F
2L
其中γ为表面张力或界面张力，F为探针所受到的最大拉力，L为探针的长度。
1.3 铂金板法
铂金板法是一种简便的力学法，它使用一个由铂金制成的矩形板作为探针，将其垂直地插入液体中，然后缓慢地提起，
直到探针与液体表面脱离。在这个过程中，液体会在探针周围形成一个液柱，对探针产生一个向下拉的力。这个力与液
体的表面张力成正比，通过测量这个力可以计算出表面张力。铂金板法适用于测量纯净液体或稀溶液的表面张力，也可
以测量两种不相混溶的液体之间的界面张力。铂金板法的计算公式为：
γ=
F
2W
其中γ为表面张力或界面张力，F为探针所受到的最大拉力，W为探针的宽度。
二、光学法
光学法是利用光线与液体或固体表面的相互作用来计算表面张力或界面张力的方法。这种方法需要使用特定波长和强度
的光源，以及高分辨率的摄像机或光电传感器。光学法的优点是操作方便，适用于各种类型和形状的液体和固体，不受
温度和电导率的影响，可以测量动态表面张力。光学法的缺点是受到光线的折射、反射、散射等因素的影响，精度较
低，不能测量高粘度或高表面张力的液体。
2.1 接触角法
接触角法是一种常用的光学法，它利用液滴在固体表面上形成的接触角来计算固体表面的自由能或液-固界面张力。接
触角是指液滴与固体表面相切处的夹角，它反映了液滴对固体表面的润湿程度。接触角越小，表示润湿越好，固体表面
自由能越高；接触角越大，表示润湿越差，固体表面自由能越低。接触角法需要将一小滴已知表面张力的液体滴在待测
固体表面上，然后用摄像机拍摄其侧视图，并用图像处理软件测量其接触角。接触角法适用于测量各种类型和形状的固
体表面自由能或液-固界面张力。接触角法的计算公式为：
γ
SG
=γ
SL
+γ
LG
cosθ
其中γ
SG
为固-气界面张力，即固体表面自由能；γ
SL
为固-液界面张力；γ
LG
为液-气界面张力，即液体表面张力；θ为接
触角。
2.2 悬滴法
悬滴法是一种改进的接触角法，它利用悬挂在毛细管上的液滴的形状和尺寸来计算液-气界面张力。悬滴法需要将一根
已知内径和外径的毛细管插入待测液体中，并将其连接到一个可调节压力的气源上。通过调节气压，可以使毛细管上形
成一个悬挂在空气中的稳定的液滴，并用摄像机拍摄其侧视图，并用图像处理软件测量其形状和尺寸。悬滴法适用于测
量各种类型和形状的液-气界面张力。悬滴法的计算公式为：
γ=
Pd
4
其中γ为液-气界面张力，即液体表面张力；P为毛细管内的压力；d为毛细管的内径。
2.3 液膜法
液膜法是一种利用液体在空气中形成的薄膜的形状和稳定性来计算液-气界面张力的方法。液膜法需要将一根已知内径
和外径的毛细管插入待测液体中，并将其连接到一个可调节压力的气源上。通过调节气压，可以使毛细管上形成一个悬
挂在空气中的薄膜，并用摄像机拍摄其正视图，并用图像处理软件测量其形状和尺寸。液膜法适用于测量各种类型和形
状的液-气界面张力，特别是高粘度或高表面张力的液体。液膜法的计算公式为：
γ=
Pd
2
其中γ为液-气界面张力，即液体表面张力；P为毛细管内的压力；d为毛细管的内径。
三、电学法
电学法是利用电场与液体或固体表面的相互作用来计算表面张力或界面张力的方法。这种方法需要使用特定频率和强度
的电源，以及高灵敏度的电流或电压传感器。电学法的优点是操作简单，适用于各种类型和形状的液体和固体，可以测
量动态表面张力。电学法的缺点是受到温度和电导率的影响，精度较低，不能测量非导电或非极性的液体。
3.1 涡流法
涡流法是一种利用交变电场在液体表面产生涡流来计算液-气界面张力的方法。涡流法需要将一对平行的金属板作为电
极，放置在待测液体表面上，并将其连接到一个可调节频率和强度的交流电源上。通过调节交流电源，可以使金属板之
间产生一个交变电场，从而在液体表面产生一个周期性变化的压力分布，导致液体表面出现波纹或波峰。通过测量波纹
或波峰的高度和周期，可以计算出液-气界面张力。涡流法适用于测量各种类型和形状的导电或极性的液-气界面张力。
涡流法的计算公式为：
ρgh
2
γ=
8π
2
f
2
其中γ为液-气界面张力，即液体表面张力；ρ为液体密度；g为重力加速度；h为波纹或波峰的最大高度；f为交变电场的
频率。
3.2 静电法
静电法是一种利用静止电场在固体表面产生静电吸引力来计算固-气界面张力或固-固界面张力的方法。静电法需要将一
块已知表面电荷密度的金属板作为电极，放置在待测固体表面上，并将其连接到一个可调节电压的直流电源上。通过调
节直流电源，可以使金属板与固体表面之间产生一个静止电场，从而在固体表面产生一个与电场方向相反的静电吸引
力。通过测量静电吸引力的大小，可以计算出固-气界面张力或固-固界面张力。静电法适用于测量各种类型和形状的导
电或极性的固-气界面张力或固-固界面张力。静电法的计算公式为：
γ=
σ
2
2ϵ
0
其中γ为固-气界面张力或固-固界面张力，即固体表面自由能；σ为金属板的表面电荷密度；ϵ
0
为真空中的介电常数。
四、总结
本文介绍了三种常用的表面张力测试方法：力学法、光学法和电学法。每种方法都有其适用范围、优缺点和计算公式。
表面张力测试是一种重要的材料表征技术，它可以用来评估材料的润湿性、清洁性、附着性、稳定性等性能，对于涂
料、油墨、胶粘剂、化妆品、药物等行业有着广泛的应用。
2024年6月12日发(作者：蓬雨)
表面张力测试方法综述
一、力学法
力学法是利用探针与液体或固体表面接触时所受到的力来计算表面张力或界面张力的方法。这种方法需要使用特定形状
和材质的探针，如杜氏环、威廉板、铂金板等，以及灵敏的天平或压力传感器。力学法的优点是操作简单，适用于各种
类型的液体和固体，不受温度和电导率的影响。力学法的缺点是受到探针的清洁度、润湿性、振动等因素的影响，精度
较低，不能测量动态表面张力。
1.1 杜氏环法
杜氏环法是一种常用的力学法，它使用一个由铂金丝制成的环形探针，将其浸入液体中，然后缓慢地提起，直到探针与
液体表面脱离。在这个过程中，液体会在探针周围形成一个薄膜，对探针产生一个向下拉的力。这个力与液体的表面张
力成正比，通过测量这个力可以计算出表面张力。杜氏环法适用于测量纯净液体或稀溶液的表面张力，也可以测量两种
不相混溶的液体之间的界面张力。杜氏环法的计算公式为：
γ=
F
4πR
其中γ为表面张力或界面张力，F为探针所受到的最大拉力，R为探针的半径。
1.2 威廉板法
威廉板法是一种改进的杜氏环法，它使用一个由铂金制成的矩形板作为探针，将其水平地放置在液体表面上，然后缓慢
地提起，直到探针与液体表面脱离。在这个过程中，液体会在探针两侧形成两个薄膜，对探针产生一个向下拉的力。这
个力与液体的表面张力成正比，通过测量这个力可以计算出表面张力。威廉板法适用于测量纯净液体或稀溶液的表面张
力，也可以测量两种不相混溶的液体之间的界面张力。威廉板法的计算公式为：
γ=
F
2L
其中γ为表面张力或界面张力，F为探针所受到的最大拉力，L为探针的长度。
1.3 铂金板法
铂金板法是一种简便的力学法，它使用一个由铂金制成的矩形板作为探针，将其垂直地插入液体中，然后缓慢地提起，
直到探针与液体表面脱离。在这个过程中，液体会在探针周围形成一个液柱，对探针产生一个向下拉的力。这个力与液
体的表面张力成正比，通过测量这个力可以计算出表面张力。铂金板法适用于测量纯净液体或稀溶液的表面张力，也可
以测量两种不相混溶的液体之间的界面张力。铂金板法的计算公式为：
γ=
F
2W
其中γ为表面张力或界面张力，F为探针所受到的最大拉力，W为探针的宽度。
二、光学法
光学法是利用光线与液体或固体表面的相互作用来计算表面张力或界面张力的方法。这种方法需要使用特定波长和强度
的光源，以及高分辨率的摄像机或光电传感器。光学法的优点是操作方便，适用于各种类型和形状的液体和固体，不受
温度和电导率的影响，可以测量动态表面张力。光学法的缺点是受到光线的折射、反射、散射等因素的影响，精度较
低，不能测量高粘度或高表面张力的液体。
2.1 接触角法
接触角法是一种常用的光学法，它利用液滴在固体表面上形成的接触角来计算固体表面的自由能或液-固界面张力。接
触角是指液滴与固体表面相切处的夹角，它反映了液滴对固体表面的润湿程度。接触角越小，表示润湿越好，固体表面
自由能越高；接触角越大，表示润湿越差，固体表面自由能越低。接触角法需要将一小滴已知表面张力的液体滴在待测
固体表面上，然后用摄像机拍摄其侧视图，并用图像处理软件测量其接触角。接触角法适用于测量各种类型和形状的固
体表面自由能或液-固界面张力。接触角法的计算公式为：
γ
SG
=γ
SL
+γ
LG
cosθ
其中γ
SG
为固-气界面张力，即固体表面自由能；γ
SL
为固-液界面张力；γ
LG
为液-气界面张力，即液体表面张力；θ为接
触角。
2.2 悬滴法
悬滴法是一种改进的接触角法，它利用悬挂在毛细管上的液滴的形状和尺寸来计算液-气界面张力。悬滴法需要将一根
已知内径和外径的毛细管插入待测液体中，并将其连接到一个可调节压力的气源上。通过调节气压，可以使毛细管上形
成一个悬挂在空气中的稳定的液滴，并用摄像机拍摄其侧视图，并用图像处理软件测量其形状和尺寸。悬滴法适用于测
量各种类型和形状的液-气界面张力。悬滴法的计算公式为：
γ=
Pd
4
其中γ为液-气界面张力，即液体表面张力；P为毛细管内的压力；d为毛细管的内径。
2.3 液膜法
液膜法是一种利用液体在空气中形成的薄膜的形状和稳定性来计算液-气界面张力的方法。液膜法需要将一根已知内径
和外径的毛细管插入待测液体中，并将其连接到一个可调节压力的气源上。通过调节气压，可以使毛细管上形成一个悬
挂在空气中的薄膜，并用摄像机拍摄其正视图，并用图像处理软件测量其形状和尺寸。液膜法适用于测量各种类型和形
状的液-气界面张力，特别是高粘度或高表面张力的液体。液膜法的计算公式为：
γ=
Pd
2
其中γ为液-气界面张力，即液体表面张力；P为毛细管内的压力；d为毛细管的内径。
三、电学法
电学法是利用电场与液体或固体表面的相互作用来计算表面张力或界面张力的方法。这种方法需要使用特定频率和强度
的电源，以及高灵敏度的电流或电压传感器。电学法的优点是操作简单，适用于各种类型和形状的液体和固体，可以测
量动态表面张力。电学法的缺点是受到温度和电导率的影响，精度较低，不能测量非导电或非极性的液体。
3.1 涡流法
涡流法是一种利用交变电场在液体表面产生涡流来计算液-气界面张力的方法。涡流法需要将一对平行的金属板作为电
极，放置在待测液体表面上，并将其连接到一个可调节频率和强度的交流电源上。通过调节交流电源，可以使金属板之
间产生一个交变电场，从而在液体表面产生一个周期性变化的压力分布，导致液体表面出现波纹或波峰。通过测量波纹
或波峰的高度和周期，可以计算出液-气界面张力。涡流法适用于测量各种类型和形状的导电或极性的液-气界面张力。
涡流法的计算公式为：
ρgh
2
γ=
8π
2
f
2
其中γ为液-气界面张力，即液体表面张力；ρ为液体密度；g为重力加速度；h为波纹或波峰的最大高度；f为交变电场的
频率。
3.2 静电法
静电法是一种利用静止电场在固体表面产生静电吸引力来计算固-气界面张力或固-固界面张力的方法。静电法需要将一
块已知表面电荷密度的金属板作为电极，放置在待测固体表面上，并将其连接到一个可调节电压的直流电源上。通过调
节直流电源，可以使金属板与固体表面之间产生一个静止电场，从而在固体表面产生一个与电场方向相反的静电吸引
力。通过测量静电吸引力的大小，可以计算出固-气界面张力或固-固界面张力。静电法适用于测量各种类型和形状的导
电或极性的固-气界面张力或固-固界面张力。静电法的计算公式为：
γ=
σ
2
2ϵ
0
其中γ为固-气界面张力或固-固界面张力，即固体表面自由能；σ为金属板的表面电荷密度；ϵ
0
为真空中的介电常数。
四、总结
本文介绍了三种常用的表面张力测试方法：力学法、光学法和电学法。每种方法都有其适用范围、优缺点和计算公式。
表面张力测试是一种重要的材料表征技术，它可以用来评估材料的润湿性、清洁性、附着性、稳定性等性能，对于涂
料、油墨、胶粘剂、化妆品、药物等行业有着广泛的应用。