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 物理科學與技術學院，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定存在［1］，特殊結構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度會導致磁性液體的磁表面張力發生變化，從而影響磁性液體在界面不穩定性、液滴形變、密封等方面的應用.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度增強而變大；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.大學物理實驗課程中設置了“拉脫法測量液體的表面張力系數”，一般都是測量水及其溶液的表面張力，以教師講授為主，且內容簡單，引不起學生的學習興趣，艾志偉等人［3］提出將PBL教學模式應用到拉脫法測量液體的表面張力系數，以問題為導向，可促進學生的主動學習和合作學習.

因此，本文將特殊的磁性液體融入實驗教學，使用拉脫法測量其磁表面張力，新鮮知識的融入可激發學生的學習主動性；將硅壓力敏傳感器的力信號轉變為電壓信號輸入計算機，利用計算機在線實時監測電壓值的變化，研究拉脫過程中不同性能磁性液體的磁表面張力變化規律，讓學生了解磁表面張力的影響因素.根據計算機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，研究均勻磁場強度對磁性液體磁表面張力的影響.

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

根據表面張力的定義式可得：

力敏傳感器所受拉力可表示為

聯立（1）～（5）式可得：

式中，F1和F2分別為液膜破裂前后瞬間片狀吊環所受的拉力，f1和f2為片狀吊環內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為片狀吊環的質量，D1和D2為片狀吊環內外徑，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.

圖1 磁性液體磁表面張力測試儀

圖2 片狀吊環某過程受力分析

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，常壓下加溫進行超聲波分散，使二者充分混合，倒入反應腔；通Ar置換反應腔內空氣，使用交變高頻脈沖電壓對NH3和Ar放電產生氮的活性粒子，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.

力敏傳感器定標數據見表1，使用Origin軟件對直線進行擬合［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時，為直觀觀察拉脫時液膜的變化過程，將培養皿放置于電磁線圈端部進行測量，圖3為拉脫過程中某一瞬間液膜的收縮狀態，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，表面張力系數小的液體（0.03N／m左右），幾乎能浸潤一切固體；表面張力系數較大的液體，只能浸潤某些固體；7＃白油的表面張力系數大于磁性液體，片狀吊環和磁性液體的結合力大于片狀吊環和7＃白油的結合力；液膜不容易和片狀吊環脫離，拉起來的液膜比較長.

表1 力敏傳感器定標數據

圖3 7＃白油和磁性液體液膜的收縮狀態

計算機實時在線采集了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，片狀吊環的內外徑分別為33.10mm和34.69mm，根據（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向外加磁場方向，外加磁場增強了磁偶極子之間的相互作用，導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發現，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階段存在轉折點Q，越過轉折點，QF階段電壓變化較平緩，且表面張力越小；而7＃白油和1F磁性液體并未出現此現象.出現該現象的原因是7＃白油和1F磁性液體表面張力較大，當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，FG階段出現了一些數據點，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，導致液膜逐步破裂.

圖5 液膜拉脫過程方框圖

5 結 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階段存在轉折點Q，越過轉折點，QF階段電壓變化較平緩，且表面張力越小；而7＃白油和1F磁性液體并未出現此現象，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階段并未出現電壓變化平緩的中間過程，但FG階段出現了另一些數據點，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，導致液膜逐步破裂.

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