磁性液体磁表面张力测试及其液膜拉脱过程受力分析

李艳琴

（大连大学 物理科学与技术学院，大连 辽宁116622）

1 引 言

磁性液体是由包覆表活性剂的磁性颗粒分散在载液中，依靠表面活性剂分子层的排斥作用而稳定存在［1］，特殊结构决定了磁性液体表面张力的特殊性，外加磁场作用于磁性液体时，分散在载液中的磁性颗粒浓度和磁场强度会导致磁性液体的磁表面张力发生变化，从而影响磁性液体在界面不稳定性、液滴形变、密封等方面的应用.Sudo等人的研究表明［2］：水基和煤油基磁性液体的磁表面张力随磁场强度增强而变大；随浓度增加，水基磁性液体的磁表面张力变小，而煤油基磁性液体的表面张力变大.大学物理实验课程中设置了“拉脱法测量液体的表面张力系数”，一般都是测量水及其溶液的表面张力，以教师讲授为主，且内容简单，引不起学生的学习兴趣，艾志伟等人［3］提出将PBL教学模式应用到拉脱法测量液体的表面张力系数，以问题为导向，可促进学生的主动学习和合作学习.

因此，本文将特殊的磁性液体融入实验教学，使用拉脱法测量其磁表面张力，新鲜知识的融入可激发学生的学习主动性；将硅压力敏传感器的力信号转变为电压信号输入计算机，利用计算机在线实时监测电压值的变化，研究拉脱过程中不同性能磁性液体的磁表面张力变化规律，让学生了解磁表面张力的影响因素.根据计算机实时在线采集的电压随时间的变化曲线将液膜拉脱过程分为6个阶段，分别对每个阶段研究了电压变化的原因.测量了竖直方向上均匀磁场中不同性能的磁性液体的磁表面张力，分析了磁场强度对其的影响.

2 实验装置及原理

拉脱法是测试液体表面张力最常用的方法［4，5］，该方法灵敏度高、仪器简单，因此使用拉脱法测量了磁性液体的磁表面张力，测试装置如图1所示.将培养皿放入空心螺线管的中心位置，倒入大约1.0cm高磁性液体，保证拉脱过程中磁性液体和片状吊环处于均匀磁场中，所施加的磁场方向竖直向上，该磁场方向平行于切线方向的磁性液膜，研究均匀磁场强度对磁性液体磁表面张力的影响.

详细实验原理及受力分析见文献［5-6］，如图2所示.液膜破裂前后瞬间，片状吊环的受力平衡方程分别为

根据表面张力的定义式可得：

力敏传感器所受拉力可表示为

联立（1）～（5）式可得：

式中，F1和F2分别为液膜破裂前后瞬间片状吊环所受的拉力，f1和f2为片状吊环内外表面液体的表面张力，θ为表面张力与竖直方向的夹角.m为片状吊环的质量，D1和D2为片状吊环内外径，B为力敏传感器灵敏度，U1和U2为液膜破裂前后瞬间力敏传感器输出的电压值，σ为磁性液体的磁表面张力系数.

图1 磁性液体磁表面张力测试仪

图2 片状吊环某过程受力分析

3 无外加磁场和有磁场作用时磁性液体的表面张力

实验使用的磁性液体采用等离子体法研制［7］，将7＃白油和PBSI-941表面活性剂按比例配制，常压下加温进行超声波分散，使二者充分混合，倒入反应腔；通Ar置换反应腔内空气，使用交变高频脉冲电压对NH3和Ar放电产生氮的活性粒子，和Fe（CO）5分解生成的铁粒子重新组合，控制好反应温度和时间，合成氮化铁磁性液体.纳米磁性颗粒的直径范围为9～15nm.1F号和2F号磁性液体制备时7＃白油和PBSI-941表面活性剂的质量比分别为4.5:1和5:1，除7＃白油用量不同外，其他制备参量相同.

力敏传感器定标数据见表1，使用Origin软件对直线进行拟合［8，9］，可得力敏传感器灵敏度B＝7.727V／N.测量无外加磁场作用的磁性液体表面张力系数时，为直观观察拉脱时液膜的变化过程，将培养皿放置于电磁线圈端部进行测量，图3为拉脱过程中某一瞬间液膜的收缩状态，从图中可看到，磁性液体的液膜拉得更长，液膜收缩的趋势比白油更明显，这主要是因为磁性液体中加入的表面活性剂降低了其表面张力［10］.可从表面张力形成原理来分析其中的原因：第一，液体表面张力系数的大小宏观上反映出液体表面具有自动收缩的趋势，表面张力系数较大的白油由于分子和分子之间的引力较大，表面层分子更容易向液体内部运动，某一拉力作用下，液膜断裂，不易拉起较长的液膜；第二，不同液体对同一种固体的浸润程度不一样，表面张力系数小的液体（0.03N／m左右），几乎能浸润一切固体；表面张力系数较大的液体，只能浸润某些固体；7＃白油的表面张力系数大于磁性液体，片状吊环和磁性液体的结合力大于片状吊环和7＃白油的结合力；液膜不容易和片状吊环脱离，拉起来的液膜比较长.

表1 力敏传感器定标数据

图3 7＃白油和磁性液体液膜的收缩状态

计算机实时在线采集了2种磁性液体及白油液膜拉脱过程中电压随时间的变化曲线，如图4所示.从图4可看到，3种液体的电压变化规律一致，图中F和G两点是液膜破裂前后瞬间的电压值，片状吊环的内外径分别为33.10mm和34.69mm，根据（6）式即可计算出液体的表面张力.室温（20±0.5）℃时各液体的表面张力见表2.7＃白油的表面张力大于磁性液体，这主要是因为表面活性剂的加入降低了液体的表面张力.当22mT的磁场作用于磁性液体时，磁性液体的表面张力增加，这主要是因为无外加磁场作用时，各磁性颗粒的磁矩方向杂乱无章，互相抵消，磁性液体不显示宏观磁性.当外加磁场作用于磁性液体时，且磁场方向平行于切线方向的磁性液膜时，各磁性颗粒的磁矩方向转向外加磁场方向，外加磁场增强了磁偶极子之间的相互作用，导致磁性液体的表面张力增加［2］.

图4 力敏传感器电压随时间变化曲线

表2 磁性液体及7＃白油表面张力

4 液膜拉脱过程受力分析

根据受力情况将图4的液膜拉脱过程电压变化曲线分为6个阶段［11］，图5为液膜拉脱过程方框图，不同阶段片状吊环的受力情况不同，电压变化值也不同，在液膜破裂前后瞬间，忽略液膜的重力，表面张力与重力方向完全一致，此时F＝mg＋f1＋f2，可得到液体的表面张力.由图4发现，不同液体在EF阶段的电压变化情况不同，无外加磁场作用时2F号磁性液体在EF阶段存在转折点Q，越过转折点，QF阶段电压变化较平缓，且表面张力越小；而7＃白油和1F磁性液体并未出现此现象.出现该现象的原因是7＃白油和1F磁性液体表面张力较大，当液膜被拉脱到一定程度时，很快破裂；而2F号磁性液体由于表面张力较小，液体分子与分子之间的作用力减弱，宏观表现为拉脱的液膜更长，液膜在空气中会存在一段时间，此时液膜质量很小，可忽略不计，电压变化较平缓.有外加磁场作用时，1F和2F号磁性液体在FG阶段并未出现电压变化平缓的中间过程，但有外加磁场作用于磁性液体时，FG阶段出现了一些数据点，液膜破裂的时间大于无外加磁场作用时的时间，主要是由于外加磁场增强了磁性颗粒之间的相互作用，分子和分子之间的磁吸引力增强，导致液膜逐步破裂.

图5 液膜拉脱过程方框图

5 结 论

使用拉脱法测量了磁性液体的磁表面张力，无外加磁场作用时，磁性液体的表面张力小于其载液的表面张力，磁性液体液膜拉得更长，液膜收缩的趋势比白油更明显，这主要是因为磁性液体中加入的表面活性剂降低了其表面张力.由液膜拉脱过程电压变化曲线可观察到：不同条件下磁性液体的电压变化情况不同，无外加磁场作用时2F号磁性液体在EF阶段存在转折点Q，越过转折点，QF阶段电压变化较平缓，且表面张力越小；而7＃白油和1F磁性液体并未出现此现象，这主要是因为7＃白油和1F磁性液体表面张力较大，2F号磁性液体由于表面张力较小，其液体分子与分子之间的作用力较弱，宏观表现为拉脱的液膜更长，液膜在空气中会存在一段时间.有外加磁场作用时，2F号磁性液体在FG阶段并未出现电压变化平缓的中间过程，但FG阶段出现了另一些数据点，液膜破裂的时间大于无外加磁场作用时的时间，主要是由于外加磁场增强了磁性颗粒之间的相互作用，分子和分子之间的磁吸引力增强，导致液膜逐步破裂.

［1］Odenbach S.Recent progress in magnetic fluid research［J］.Journal of Physics：Condensed Matter，2004，16（32）：1135-1150.

［2］Sudo S，Hashimoto H，Ikeda A.Measurements of the surface tension of a magnetic fluid and interfacial phenomena ［J］.Japan Society of Mechanical Engineers，1989，32（1）：47-51.

［3］艾志伟，吴昊.以液体表面张力系数测量实验为例的PBL教学模式探讨［J］.物理实验，2013，33（7）：20-22.

［4］焦丽凤，陆申龙.用力敏传感器测量液体表面张力系数［J］.物理实验，2002，22（7）：40-42.

［5］姜琳.用力敏传感器测量乙醇水溶液的表面张力系数与浓度的关系［J］.物理实验，2004，24（8）：28-30.

［6］李艳琴.非离子型的有机物杂质质量浓度对液体表面张力系数的影响［J］.物理实验，2013，33（4）：33-36.

［7］李学慧，刘志升，李艳琴，等.交变电场／温度场协同合成纳米磁性润滑油的方法及装置［P］.ZL200910011126.8，2011.12.7.

［8］孔令昌，李奎元，姚炯.Origin软件在制作曝光曲线中的应用［J］.无损检测，2008，30（12）：955-956.

［9］王鑫，吴先球，蒋珍美，等.用Origin剔除线性拟合中实验数据的异常值［J］.山西师范大学学报（自然科学版），2003，17（1）：45-49.

［10］伯格曼D J，赵伟.肥皂和表面活性剂的配方与性质［J］.日用化学与科学，2005，28（10）：34-36.

［11］季长清，李艳琴.硅力敏传感器测量液体表面张力系数和液膜受力分析［J］.实验技术与管理，2011，28（40）：46-48.