磁性液體磁表面張力測試及其液膜拉脫過程受力分析

李艷琴

（大連大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，大連 遼寧116622）

1 引 言

磁性液體是由包覆表活性劑的磁性顆粒分散在載液中，依靠表面活性劑分子層的排斥作用而穩(wěn)定存在［1］，特殊結(jié)構(gòu)決定了磁性液體表面張力的特殊性，外加磁場作用于磁性液體時，分散在載液中的磁性顆粒濃度和磁場強(qiáng)度會導(dǎo)致磁性液體的磁表面張力發(fā)生變化，從而影響磁性液體在界面不穩(wěn)定性、液滴形變、密封等方面的應(yīng)用.Sudo等人的研究表明［2］：水基和煤油基磁性液體的磁表面張力隨磁場強(qiáng)度增強(qiáng)而變大；隨濃度增加，水基磁性液體的磁表面張力變小，而煤油基磁性液體的表面張力變大.大學(xué)物理實驗課程中設(shè)置了“拉脫法測量液體的表面張力系數(shù)”，一般都是測量水及其溶液的表面張力，以教師講授為主，且內(nèi)容簡單，引不起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，艾志偉等人［3］提出將PBL教學(xué)模式應(yīng)用到拉脫法測量液體的表面張力系數(shù)，以問題為導(dǎo)向，可促進(jìn)學(xué)生的主動學(xué)習(xí)和合作學(xué)習(xí).

因此，本文將特殊的磁性液體融入實驗教學(xué)，使用拉脫法測量其磁表面張力，新鮮知識的融入可激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性；將硅壓力敏傳感器的力信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘栞斎胗嬎銠C(jī)，利用計算機(jī)在線實時監(jiān)測電壓值的變化，研究拉脫過程中不同性能磁性液體的磁表面張力變化規(guī)律，讓學(xué)生了解磁表面張力的影響因素.根據(jù)計算機(jī)實時在線采集的電壓隨時間的變化曲線將液膜拉脫過程分為6個階段，分別對每個階段研究了電壓變化的原因.測量了豎直方向上均勻磁場中不同性能的磁性液體的磁表面張力，分析了磁場強(qiáng)度對其的影響.

2 實驗裝置及原理

拉脫法是測試液體表面張力最常用的方法［4，5］，該方法靈敏度高、儀器簡單，因此使用拉脫法測量了磁性液體的磁表面張力，測試裝置如圖1所示.將培養(yǎng)皿放入空心螺線管的中心位置，倒入大約1.0cm高磁性液體，保證拉脫過程中磁性液體和片狀吊環(huán)處于均勻磁場中，所施加的磁場方向豎直向上，該磁場方向平行于切線方向的磁性液膜，研究均勻磁場強(qiáng)度對磁性液體磁表面張力的影響.

詳細(xì)實驗原理及受力分析見文獻(xiàn)［5-6］，如圖2所示.液膜破裂前后瞬間，片狀吊環(huán)的受力平衡方程分別為

根據(jù)表面張力的定義式可得：

力敏傳感器所受拉力可表示為

聯(lián)立（1）～（5）式可得：

式中，F(xiàn)1和F2分別為液膜破裂前后瞬間片狀吊環(huán)所受的拉力，f1和f2為片狀吊環(huán)內(nèi)外表面液體的表面張力，θ為表面張力與豎直方向的夾角.m為片狀吊環(huán)的質(zhì)量，D1和D2為片狀吊環(huán)內(nèi)外徑，B為力敏傳感器靈敏度，U1和U2為液膜破裂前后瞬間力敏傳感器輸出的電壓值，σ為磁性液體的磁表面張力系數(shù).

圖1 磁性液體磁表面張力測試儀

圖2 片狀吊環(huán)某過程受力分析

3 無外加磁場和有磁場作用時磁性液體的表面張力

實驗使用的磁性液體采用等離子體法研制［7］，將7＃白油和PBSI-941表面活性劑按比例配制，常壓下加溫進(jìn)行超聲波分散，使二者充分混合，倒入反應(yīng)腔；通Ar置換反應(yīng)腔內(nèi)空氣，使用交變高頻脈沖電壓對NH3和Ar放電產(chǎn)生氮的活性粒子，和Fe（CO）5分解生成的鐵粒子重新組合，控制好反應(yīng)溫度和時間，合成氮化鐵磁性液體.納米磁性顆粒的直徑范圍為9～15nm.1F號和2F號磁性液體制備時7＃白油和PBSI-941表面活性劑的質(zhì)量比分別為4.5:1和5:1，除7＃白油用量不同外，其他制備參量相同.

力敏傳感器定標(biāo)數(shù)據(jù)見表1，使用Origin軟件對直線進(jìn)行擬合［8，9］，可得力敏傳感器靈敏度B＝7.727V／N.測量無外加磁場作用的磁性液體表面張力系數(shù)時，為直觀觀察拉脫時液膜的變化過程，將培養(yǎng)皿放置于電磁線圈端部進(jìn)行測量，圖3為拉脫過程中某一瞬間液膜的收縮狀態(tài)，從圖中可看到，磁性液體的液膜拉得更長，液膜收縮的趨勢比白油更明顯，這主要是因為磁性液體中加入的表面活性劑降低了其表面張力［10］.可從表面張力形成原理來分析其中的原因：第一，液體表面張力系數(shù)的大小宏觀上反映出液體表面具有自動收縮的趨勢，表面張力系數(shù)較大的白油由于分子和分子之間的引力較大，表面層分子更容易向液體內(nèi)部運動，某一拉力作用下，液膜斷裂，不易拉起較長的液膜；第二，不同液體對同一種固體的浸潤程度不一樣，表面張力系數(shù)小的液體（0.03N／m左右），幾乎能浸潤一切固體；表面張力系數(shù)較大的液體，只能浸潤某些固體；7＃白油的表面張力系數(shù)大于磁性液體，片狀吊環(huán)和磁性液體的結(jié)合力大于片狀吊環(huán)和7＃白油的結(jié)合力；液膜不容易和片狀吊環(huán)脫離，拉起來的液膜比較長.

表1 力敏傳感器定標(biāo)數(shù)據(jù)

圖3 7＃白油和磁性液體液膜的收縮狀態(tài)

計算機(jī)實時在線采集了2種磁性液體及白油液膜拉脫過程中電壓隨時間的變化曲線，如圖4所示.從圖4可看到，3種液體的電壓變化規(guī)律一致，圖中F和G兩點是液膜破裂前后瞬間的電壓值，片狀吊環(huán)的內(nèi)外徑分別為33.10mm和34.69mm，根據(jù)（6）式即可計算出液體的表面張力.室溫（20±0.5）℃時各液體的表面張力見表2.7＃白油的表面張力大于磁性液體，這主要是因為表面活性劑的加入降低了液體的表面張力.當(dāng)22mT的磁場作用于磁性液體時，磁性液體的表面張力增加，這主要是因為無外加磁場作用時，各磁性顆粒的磁矩方向雜亂無章，互相抵消，磁性液體不顯示宏觀磁性.當(dāng)外加磁場作用于磁性液體時，且磁場方向平行于切線方向的磁性液膜時，各磁性顆粒的磁矩方向轉(zhuǎn)向外加磁場方向，外加磁場增強(qiáng)了磁偶極子之間的相互作用，導(dǎo)致磁性液體的表面張力增加［2］.

圖4 力敏傳感器電壓隨時間變化曲線

表2 磁性液體及7＃白油表面張力

4 液膜拉脫過程受力分析

根據(jù)受力情況將圖4的液膜拉脫過程電壓變化曲線分為6個階段［11］，圖5為液膜拉脫過程方框圖，不同階段片狀吊環(huán)的受力情況不同，電壓變化值也不同，在液膜破裂前后瞬間，忽略液膜的重力，表面張力與重力方向完全一致，此時F＝mg＋f1＋f2，可得到液體的表面張力.由圖4發(fā)現(xiàn)，不同液體在EF階段的電壓變化情況不同，無外加磁場作用時2F號磁性液體在EF階段存在轉(zhuǎn)折點Q，越過轉(zhuǎn)折點，QF階段電壓變化較平緩，且表面張力越?。欢?＃白油和1F磁性液體并未出現(xiàn)此現(xiàn)象.出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是7＃白油和1F磁性液體表面張力較大，當(dāng)液膜被拉脫到一定程度時，很快破裂；而2F號磁性液體由于表面張力較小，液體分子與分子之間的作用力減弱，宏觀表現(xiàn)為拉脫的液膜更長，液膜在空氣中會存在一段時間，此時液膜質(zhì)量很小，可忽略不計，電壓變化較平緩.有外加磁場作用時，1F和2F號磁性液體在FG階段并未出現(xiàn)電壓變化平緩的中間過程，但有外加磁場作用于磁性液體時，F(xiàn)G階段出現(xiàn)了一些數(shù)據(jù)點，液膜破裂的時間大于無外加磁場作用時的時間，主要是由于外加磁場增強(qiáng)了磁性顆粒之間的相互作用，分子和分子之間的磁吸引力增強(qiáng)，導(dǎo)致液膜逐步破裂.

圖5 液膜拉脫過程方框圖

5 結(jié) 論

使用拉脫法測量了磁性液體的磁表面張力，無外加磁場作用時，磁性液體的表面張力小于其載液的表面張力，磁性液體液膜拉得更長，液膜收縮的趨勢比白油更明顯，這主要是因為磁性液體中加入的表面活性劑降低了其表面張力.由液膜拉脫過程電壓變化曲線可觀察到：不同條件下磁性液體的電壓變化情況不同，無外加磁場作用時2F號磁性液體在EF階段存在轉(zhuǎn)折點Q，越過轉(zhuǎn)折點，QF階段電壓變化較平緩，且表面張力越?。欢?＃白油和1F磁性液體并未出現(xiàn)此現(xiàn)象，這主要是因為7＃白油和1F磁性液體表面張力較大，2F號磁性液體由于表面張力較小，其液體分子與分子之間的作用力較弱，宏觀表現(xiàn)為拉脫的液膜更長，液膜在空氣中會存在一段時間.有外加磁場作用時，2F號磁性液體在FG階段并未出現(xiàn)電壓變化平緩的中間過程，但FG階段出現(xiàn)了另一些數(shù)據(jù)點，液膜破裂的時間大于無外加磁場作用時的時間，主要是由于外加磁場增強(qiáng)了磁性顆粒之間的相互作用，分子和分子之間的磁吸引力增強(qiáng)，導(dǎo)致液膜逐步破裂.

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