APPLICATIONS

액체의 표면장력은 밀도 및 질량과 마찬가지로 물질의 고유한 상수이다. 

계면활성제(습윤제)는 수용액의 표면장력을 낮추며, 일반적으로 농도에 따라 표면 장력 변화가 발생한다. 

따라서, 표면 장력을 측정하면 계면활성제의 농도를 확인할 수 있다. 

​ ● 표면장력의 정의

액체 내부에서는 분자들 사이의 응집력(결합력)이 서로 상쇄되지만, 액체 표면에서는 주변에 동일한 분자들이 부족하기 때문에, 

그 결과 생긴 힘 F가 액체 내부 방향으로 작용하면서 표면장력 σ가 발생한다.

                내부 액체와 표면에 작용하는 힘들

​

표면장력은 다양한 방법으로 액체의 표면을 늘려가며 측정된다.

​

 ● 정적 측정 방법

링 또는 플레이트 방법과 같은 정적 측정 방법은 액체의 표면을 늘린 후, 

링이나 플레이트를 표면에서 잡아당겨 끌어올리다가 표면이 끊어질 때까지 진행된다. 

이때 표면이 끊어질 때의 최대 이탈 힘이 표면장력과 동일하다.

이러한 방법들이 ‘정적’으로 불리는 이유는 시간 경과에 영향을 받지 않기 때문이다.

따라서 정적 측정 방법은 순수한 액체나 계면활성제 농도가 낮은 경우에만 적합하다.

​

  ●  동적 측정 방법

동적 측정 방법에서는, 예를 들어 기포압 방식처럼 경계면이 지속적으로 팽창한다.

따라서 표면장력의 값은 계면활성 물질의 적절한 시점에 의한 흡착과 경계면의 팽창 정도에 따라 달라진다. 

동적 측정 방법은 특히 도금이나 세척 욕조처럼 계면활성제 농도가 높은 경우에 권장된다. 

측정 시간 동안 표면나이를 세밀하게 조절하면, 넓은 농도 범위에서 측정이 가능하다. 

표면장력의 시간에 따른 변화는 다양한 습윤 및 세척 공정에서 매우 중요한 요소이다. 

이러한 공정의 경과, 조건 및 결과는 사용된 계면활성제의 반응 속도와 밀접하게 연관된다.

​

 ● 기포압 방식

기포압 방식은 액체 안에 삽입된 가스 주입 모세관 끝에서 형성된 기포의 내부 압력 중 최대치를 측정하는 방식이다.

  모세관 끝의 작은 공기 방울은 동적 표면장력 측정을 위한 계면으로 사용된다.

​

이 방법은 자동화가 가능하므로, 액체-기체 경계면이 존재하는 다양한 수명에 따른 표면장력을 측정할 수 있습니다.

기포 압력법에 따라 표면장력을 측정할 때, 생성된 기포의 반지름은 지속적으로 감소하며, 결국 기포 반지름이 모세관 반지름과 같아지고, 

이때 기체 압력은 최대치에 도달하고 기포는 팽창한 뒤 모세관에서 떨어져나간다.

​

Laplace 방정식에 따르면, 최대 압력과 표면장력은 상호 연관되어 있다.

따라서 최대 수압은 모세관의 잠김 깊이와 액체의 밀도에 따라 달라진다.

​

   ●  차압법 (Differential pressure method)

SITA는 기포압 방식을 개선하여 ‘차압법’으로 발전시켰고, 이로 인해 수압에 의한 압력이 제거된다. 

압력 최소값을 평가함으로써, 표면장력의 측정은 모세관의 침수 깊이와 무관하게 이루어진다. 

SITA 표면장력계는 언제든 물을 사용해 보정할 수 있기 때문에 모세관 반지름을 정확히 알 필요가 없다.

보정 과정에서, 표면장력계는 압력 신호와 물의 표면장력값을 통해 측정이 모세관 또는 그 반지름에 의해 어떻게 영향을 받는지를 결정하며, 

이때 보정 인자 K를 설정한다.

실제 기포의 수명 은 표면 나이라고도 하며, 계면활성 물질이 경계면에 부착되는 시간을 나타낸다.

이는 모세관 내에서 기포 형성이 시작되어 압력 최소값 이 나타나는 순간부터, 

기포 반지름이 모세관 반지름에 도달하는 순간까지의 시간을 포함한다. 

측정하는 동안, 기포 생성 빈도는 설정된 값으로 유지되며, 표면장력이 변하더라도 일정하게 유지된다. 

따라서 액체의 시간에 따른 특성 변화를 수일 동안 온라인으로 기록하고 모니터링할 수 있다.

                            SITA 기포압 측정 방식