表面張力儀

1. 表面張力儀

2. 表面張力 • 表面張力的定義為將表面拉伸 1cm 之所需力，其單位：dyne / cm、erg / cm2。 • 此種力相當於勝過液體單位面積向內部之引力，相當於： ＊縮小單位面積的力 ＊擴張單位面積所需要的功(W) γ=W / S 此功相當於單位面積所含之自由能。

3. 表面張力 • 分子由於相互吸引作用而凝聚成液體，在液體中的分子四面八方都受到吸引力，但也因此每個方向受力皆相等，合力為 0。但在液體表面的分子所受分子間的引力並不均勻，結果合成一往液體內的合力。 • 因此，當分子從內部移到表面時需要作功。也就是說，表面位能較高，而單位液面所高出來的表面位能，稱之為表面張力。

4. 蓮花效應 • 蓮花效應主要是指蓮葉表面具有超疏水以及自潔的特性。 • 由於蓮葉具有疏水、不吸水的表面，落在葉面上的雨水會因表面張力的作用形成水珠，換言之，水與葉面的接觸角(contact angle)會大於140度，只要葉面稍微傾斜，水珠就會滾離葉面。

5. 蓮花效應 • 在電子顯微鏡下，蓮葉的表面具有大小約 5~15 微米細微突起的表皮細胞(epidermal cell)，表皮細胞上又覆蓋著一層直徑約1奈米的蠟質結晶(wax crystal)。 • 蠟質結晶本身的化學結構具有疏水性，所以當水與這類表面接觸時，會因表面張力而形成水珠，再加上葉表的細微結構之助，使水與葉面的接觸面積更小而接觸角變大，因此加強了疏水性，同時也降低污染顆粒對葉面的附著力。

6. 蓮花效應

7. 蓮花效應 • 細微結構與自潔作用關聯之示意圖。 • 即使同樣具有疏水性的表面，在細微結構上的水珠會吸附著灰塵顆粒滾動，而在光滑表面上，水珠能使顆粒移動的程度有限。

8. 應用範圍 • 目前蓮花效應的概念主要是應用在防污防塵上，透過人工合成的方式，將特殊的化學成分加入塗料、建材、衣料內等等，使其具有某些程度的自潔功能，以實現拒水防塵的目的。

9. 界面活性劑 • 陰離子活性劑 • 陽離子活性劑 • 非離子活性劑 • 兩性離子活性劑

10. 陰離子活性劑 • 主要化學結構為一個陰離子極性端做頭，另一側則是由碳氫原子組成的非極性長鏈。 • 極性與非極性液體共處時，會形成一道明顯界面，不會互溶，這時若加入界面活性劑，則可以用其極性端頭與極性液體分子相近，而以其尾巴的非極性長鏈與非極性液體相吸，來打破原來互斥的界面，所以稱作界面活性劑。

11. 陰離子活性劑 • 另外，清潔劑除了清洗油污之外，有一種很強的清潔劑 Sodium Dodecyl Sulfate (SDS) 也常被用來作為核酸研究之用的化學藥劑，因 SDS 可以介入極性與非極性基團之間，是一種界面活性劑，就是俗稱的清潔劑。 • SDS 可以把非極性尾巴鑲入蛋白質三級構造的內部，而以其極性頭部與外界的水分子結合，因而使得蛋白質變性。

12. 陰離子活性劑 • 在 SDS - PAGE 系統中，除了整個電泳系統含有 0.1 % SDS 外，樣本也要加入 SDS (並以 mercaptoethanol 打斷雙硫鍵) 同時加熱處理。 則蛋白質會解構成為一條直鏈狀分子，其上並佈滿了 SDS 的負電荷；請注意，理論上 SDS 是很均勻的吸附到蛋白質上，因此不管原來蛋白質分子的大小，每種蛋白質分子上所吸附的負電荷密度是相同的。

13. 陽離子活性劑 • 典型的陽離子性界面活性劑為有機胺鹽類和第四級銨鹽類等，前者構造式如氯化銨，但其中最少有一個 H 原子被長鏈烷基所取代，長鏈烷基為鹼性，但其磺酸鹽水溶液卻呈現弱酸性。後者除氮元素之第四級銨鹽外，尚包括磷、硫等元素與四個烷基鍵結後，以陰離子之Cl－、Br－、I－、CH2OSO3－、C2H5OSO3－等配位結合而成。

14. 陽離子活性劑 • 純粹之第四級銨鹽應為近中性，具有極大之表面吸附、表面活性。與其他相同碳數基之陰離性、非離子性界面活性劑比較時，其水溶液最大，亦即此界面活性劑本身之 HLB 值大（親水性 - 親油性之平衡值）。再者，第四級銨氫氧化物具強鹼性，可利用為觸媒。

15. 陽離子活性劑 應用 • 是在具有殺菌、防徽、殺蟲性者甚多。其他尚有適合於均染緩染劑、直接染料堅牢度增進劑、織物柔軟劑、防水劑、對於紡績之靜電防止劑、軟式洗濯劑、塑膠凝固液之噴嘴梗塞防止及溶液之澄清劑、硫化礦等之浮選劑、鋼之酸蝕抑制劑、橡膠加硫促進劑等。

16. 非離子活性劑 • 前述之鹽類性除陰陽二型以外，尚有非鹽類性者，即非電離性界面活性劑。所謂非離子活性性劑，均為多價醇之誘導，其水溶液所具有之界面活性。 • 代表性之非離子性界面活性劑如聚氧乙烯烷基醚〔RO-(CH2CH2O)n-H〕之水溶液為酸性（pH= 5~6）。

17. 非離子活性劑 • 但一般製品仍以調製成中性者為多。其他多元醇之脂肪酸如山梨糖脂肪酸酯，因山梨糖醇中有 5 個 –OH 基，其結合人之脂肪酸個數可自由調整，結合數愈少對水之親和性愈大，而結合之脂肪酸碳數，亦可由辛酸至硬脂酸任意選擇，所生之多元醇脂肪酸酯之 HLB 值可由低值至高值間變化，也就是可合成自油溶性至水溶性。

18. 非離子活性劑 • 而聚氧乙烷系、聚氧乙烯 - 聚氧丙烯系非離子性界面活性劑，會因聚合度之不同，水溶液開始完全透明溶解，但在一定溫度下會立刻變濁的現象，亦即所謂的濁點。此乃因活性劑分子中氧化乙烯基和水改變現象所致，在加熱至一定溫度時，產生脫水現象而使溶解性消失。

19. 非離子活性劑 應用 • 非離子活性劑之一般應用在於合成高分子聚合合用乳化劑、可塑劑、金屬清淨劑、纖維度保持劑、纖維加工劑、醫藥化粧品基劑、潤滑劑，離型劑、電染色劑等。

20. 兩性離子活性劑 • 常見的兩離子性界面活性劑的構造類似胺基酸（RR´C(NH2）COOH），即分子中有胺基和酸基，在酸性溶液中，分子中的胺基與酸作用而溶解；在鹼性溶液中，酸基與鹼中和而有水溶液性，因此純物質具有等電點。

21. 界面活性劑之定義及特性 界面活性劑 (Surfactant)： • 某物質溶於水、油或其他溶劑後，易被吸附於溶液表面或界面，能降低溶液的表面張力或兩相間界面張力的物質。 界面活性劑必須具有下列特性： • 臨界微胞濃度 (Critical Micelle Concentration) • 表面張力降低性 • 溶化作用 (Solubilization) • 乳化作用 (Emulsitication)

22. 界面活性劑之定義及特性 • 界面活性劑是化學品中被消耗很大的一個項目，不論是在潤滑油、食用藥劑、肥皂與清潔劑，它扮演相當重要之角色。 • 界面活性劑是兩性化合物，包括一個長碳氫的尾部及一極性的頭端，在高濃度下(10-4M 以上)它們會自我排列成一集合體，我們稱 micelle ( 微胞)。這時的濃度稱為 Critical Micelle Concentration簡稱(CMC)，正常在水中之 micelle 親油長鏈朝向 micelle 球中心，親水性的頭端外朝水相。

23. 界面活性劑之定義及特性 • 界面活性劑之最重要的特性是可以減小表面張力，而產生濕潤、滲透、乳化與分散等作用。 • 因此可以廣泛運用到各種工業，例如：紡織(染色助劑)、金屬(表面處理)、塗料(油漆)、塑膠(N次貼)、食品、化妝品、製紙、皮革、清潔(清潔劑)等工業，更可以應用於現今熱門的奈米粒子之製造。 • 表面張力測量法是適用於離子性界面活性劑及非離子性界面活性劑。 • 而CMC對清潔劑之清淨力非常重要，另外CMC在對生物細胞膜作用研究上或是奈米技術都是扮演相當重要的角色。

24. 界面活性劑之定義及特性 • 下圖為界面活性劑在水中，隨濃度改變之相圖，由此圖可知，當界面活性劑溶於溶劑時，其吸附在表面之表面張力減少，所以溶液表面張力隨界面活性劑之濃度增加而減少，但溶液濃度增加至CMC時，隨游離態界面活性劑濃度之增加，但其表面張力卻以不成比例之量而減少，表面張力曲線形成一個轉折點，此點即為此界面活性劑之CMC值。

25. 界面活性劑之定義及特性 C<CMC C=CMC C>CMC

26. 界面活性劑之定義及特性 • 當界面活性劑含有雜質時，測出來之表面張力曲線在CMC附近將會出現一個極小值的凹陷部份，此現象可以用做界面活性劑純度之檢查。 不含雜質 含雜質

27. 儀器原理 • CMC之大小可以用界面活性劑之水溶液的物理化學性質變化求得，如水的清淨力、黏度、密度、導電度、表面張力、滲透壓、折射率、光散射等。 • 吊環狀張力儀與面板型張力儀是決定CMC最簡單的方式。 • 因此本實驗將利用表面張力儀，於固定溫度下測定白金板離開同種類但不同濃度之界面活性劑溶液所需力量，以獲得該溶液之表面張力。

28. 儀器設備簡介

29. 儀器設備簡介 • 緩緩將白金板置入待 • 測液中 • 將白金板提起 • 因各物表面張力不同, • 對白金板所施的力亦 • 不同 • 藉此計算出各物質的 • 表面張力 白金板 待測液

30. 表面張力 實驗動畫示意圖 Surface tension 0.12 0.13 0.11 0.14 0.06 0.09 0.15 0.00 0.03 nN/m

31. THE END