基于智能产品去污能力测试仪的清洁产品去污性能研究

1 引言

液体表面张力是液体界面因分子间相互作用在界面处内外不对称而表现出的使界面面积趋于最小的效应。当表面张力相对重力占主导时，液滴趋向呈球形。较强的表面张力还能在适当的接触角 /疏水条件下支撑水黾在水面行走或使细针漂浮。表面张力影响毛细现象与泡沫稳定性，在自然界与工业中应用广泛，其大小与液体种类、温度及溶质浓度相关。本文采用拉脱法测量不同品牌洗发水水溶液的表面张力，并通过改变其在水中的质量分数研究变化规律，随后进行误差分析并给出了误差处理方法，最终根据实验测试结果得出结论。

2 实验仪器与实验原理

实验仪器主要包括金属吊环，水平仪，供电电源，硅压阻力敏传感器，传感器固定支架，温度控制器，水槽，升降台底盘和水平调节装置等。图一为拉脱法测液体表面张力测试仪示意图。

图一 测试仪示意图

根据液体表面张力公式 F=aL L=π（D₁+D₂） 。其中， ∝ 表示液体表面张力系数，L 为圆环内外周长之和，D1、D2 分别为圆环内、外径，F 为液体表面张力。根据力电转换思想，使用硅压阻力敏传感器将力学量转换为电学量，有公式 。将两式联立得液体表面张力系数测量公式 。其中 U1 表示吊环拉脱液面前最大的电压值，U2 表示吊环拉脱液面后的电压值。（ ）

面张力其值为 72.60N/mV ，读取此时温度为 21.6°C ，已知 21 ℃时纯水的液体表面张力为 72.59N/mV ，22 ℃时纯水的液体表面张力为72.44N/mV ，根据测量结果可计算相对误差，得出此时相对误差在0.2%-0.4% 。根据误差分析，由于铝合金吊环偏差1°就会引入 0.5% 的误差，表明此测试仪的精确度高。接下来使用调节好的测试仪，我们取八种不同品牌的洗发水样品（品牌名使用 A-H 的大写字母替代），测量八种洗发水溶液不同含量下的的表面张力系数 ， 得到图二的结果。（图中的每一个 ΔU 为 6 次重复实验时（U1-U2）的和的平均值 ， 由于液体表面张力数值的变化趋势与 ΔU 相同，因此此处仅比较ΔU 大小即可。）

3 实验误差分析与处理

通过总结前人经验和在实验过程具体分析，我们整理出了在使用拉脱法测量液体表面张力系数过程中经常出现的误差来源和相应的误差处理方法，以此来保证测量实验结果的可靠性。

误差来源： ① 传感器、吊环、底座未调平。此误差对实验结果有较大影响。文献结果表明，铝合金吊环偏差 1°，测量结果引入的误差为 0.5% ，偏差 2^∘ °，则引入的误差为 1.6% [1]。 ② 拉脱过程中旋转装置的产生的振动使薄膜提前拉断。此误差会使测得的 U1 偏小，从而对实验造成影响。 ③ 忽略液膜重力在实验中增加的系统误差 [2]。 ④ 拉脱过程中每次液体浸入深度不同时吊环侧壁附着不同质量的水。 ⑤ 没有整机预热，造成电压示数不断上下跳动。

对应解决方法： ① 使用水平仪依次调节底座和传感器，然后调节吊环上的铁丝，在其挂在传感器上时观察金属圆环下沿是否水平。② 拉起吊环时速度不能太快，也不能太慢，拧升降螺丝一定要用力均衡，保证液面没有肉眼可见的晃动。 ③ 拉脱时使用较薄的圆环，以此来减小液膜的重力。 ④ 每次拉脱时，都将升降台升到最顶端，然后再拧动升降台下方的升降螺丝进行下降。 ⑤ 实验前整机预热15分钟，观察电压示数稳定后再开始进行实验。

4 实验结果

首先，按照步骤将装置调平，进行整机预热 15 分钟，观测电压示数，确保电压测量值无抖动。然后测量电压示数，根据砝码质量与计算公式，测出各个点的坐标，进行线性拟合得出灵敏度系数B，根据当地重力加速度即可求出 B 的值为 2.93V/N，回归直线拟合系数为 1.000，拟合度高，表明测量结果精确。接着，测定圆环的内外径，其中外径 34.132mm ，内径 33.156mm 。然后测定纯水的液体表面张力，代入公式计算得出 ΔU 的值为 44.8mV ，液体表

图二 测量结果图

通过图可以观察到，每一个品牌的洗发水的液体表面张力系数呈现出明显的差异，并且随着洗发水含量增加，液体表面张力系数均呈现上升的趋势 [3]。但此时的 ΔU 明显小于纯水，证明加入洗发水后的液体表面张力要明显小于水，表面洗发水的清洁能力要明显好于纯水。通过实验发现，洗发水的清洁力主要来自表面活性剂，过量使用会导致泡沫过多，不仅难以冲洗干净，还可能残留在头皮和头发上，刺激头皮甚至破坏头皮的水油平衡，反而影响清洁效果，甚至引发头皮瘙痒、干燥等问题。通过揉搓让洗发水充分起泡，均匀接触头发和头皮，配合正确的按摩手法，才能有效带走污垢和油脂。

5 实验结论

1. 洗发水的液体表面张力明显小于纯水的液体表面张力，洗发水的清洁能力明显好于纯水的清洁能力。

2. 正确调节测试仪能够有效保证实验结果的准确性。

3. 相同含量下，不同洗发水的液体表面张力系数各不相同。

4. 同种洗发水与清水的混合液的液体表面张力系数与洗发水的质量分数有关，洗发水含量越大液体表面张力系数越大。

参考文献

[1] 杨宁选 ， 王雪燕 ， 曹海宾 . 用力敏传感器测液体表面张力系数的不确定度分析及影响因素分析[J]. 大学物理实验， 2016

[2] 田静 ， 李辉 . 液体表面张力系数测量中的影响因素分析 [J].大学物理 ， 2012

[3] 李绍芃 ， 陈晓童 ， 吕刚 . 表面张力系数随氯化钠离子浓度的变化规律实验研究[J]. 大学物理实验， 2016

基金项目：基金项目：本文由实验教改项目（syq2024）、教育部产学合作协同育人项目 （240224070201） 和2025 大学生创新创业训练计划项目（国家级）支持。

作者简介：张永斌，马潇，匡胤轩，刘春麟船舶电气工程学院，大二本科生；刘平桂船舶与海洋工程学院，大三本科生；王梦涵，曾杨帆信息科学技术学院，大二本科生；马银华博士，教师；董爱义，通讯作者博士，教师。