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天然和合成寶石的表面張力怎么測(cè)
來(lái)源：巖礦測(cè)試 瀏覽 1314 次 發(fā)布時(shí)間:2023-05-25
本文運(yùn)用現(xiàn)代儀器(FTA200動(dòng)態(tài)接觸角測(cè)量?jī)x)測(cè)量了15個(gè)天然和合成寶玉石品種(鉆石、合成碳硅石、合成立方氧化鋯、碧璽、托帕石、翡翠、琥珀等)，以及經(jīng)覆膜和充填2種處理方法的寶玉石樣品(鍍膜鉆石、覆膜托帕石、覆膜翡翠、覆膜琥珀、充填碧璽)的表面接觸角，并運(yùn)用公式計(jì)算其表面張力。
接觸角的測(cè)量方法根據(jù)直接測(cè)量物理量的不同可以分為量角法、透過(guò)法、測(cè)力法和長(zhǎng)度法。量角法直觀，但測(cè)試結(jié)果受操作者影響，誤差較大；透過(guò)法適用于固體粉末；測(cè)力法運(yùn)用電子天平，讀數(shù)較精確，德國(guó)KRUSS公司的動(dòng)態(tài)表面能分析儀基于此方法設(shè)計(jì)制造；長(zhǎng)度法形式之一的小液滴法(球冠)是當(dāng)液滴足夠小時(shí)，重力可以忽略，液滴是理想的球冠型，測(cè)量在固體平面上小液滴的高度(h)和寬度(2r),二者關(guān)系可以表示為如下公式：
sinθ=2hr/(h2+r2)（1)
通過(guò)測(cè)量h和r，可以根據(jù)公式(1)計(jì)算出接觸角θ。本次實(shí)驗(yàn)采用的美國(guó)FTA公司的表面張力動(dòng)態(tài)接觸角分析系統(tǒng)依據(jù)此原理設(shè)計(jì)制造。該方法受操作者影響較小，誤差小，但公式(1)需滿足一些假設(shè)條件，這些條件在實(shí)際測(cè)量中可能無(wú)法滿足，如液滴的體積不是非常小，重力影響不能忽略，液滴在粗糙表面、多相表面的接觸角不是軸對(duì)稱，因此會(huì)帶來(lái)一些誤差。
本次實(shí)驗(yàn)選用運(yùn)用此原理的美國(guó)FTA儀器，是基于被測(cè)樣品的特點(diǎn)，寶玉石本身體積小，對(duì)測(cè)試液滴的尺寸要求較小，且寶玉石表面經(jīng)過(guò)拋光后較為光滑，可能造成的誤差較小。
測(cè)量方法
測(cè)量?jī)x器
儀器選用可測(cè)量被測(cè)物體的表面張力和接觸角的表面張力測(cè)試儀，該儀器能夠精確地顯示液滴的外觀，并裝備了易于調(diào)整的樣品臺(tái)，內(nèi)置計(jì)算機(jī)控制的進(jìn)樣系統(tǒng)定位方便，可控制小劑量給樣。使用的控制液滴大小的測(cè)試針頭是27 Gauge。
實(shí)驗(yàn)樣品及測(cè)量過(guò)程
(1)實(shí)驗(yàn)樣品
本次實(shí)驗(yàn)選用鉆石、鍍膜鉆石、合成碳硅石、合成立方氧化鋯(CZ)、紅寶石、合成紅寶石、藍(lán)寶石、合成藍(lán)寶石、橄欖石、透輝石、長(zhǎng)石、黃水晶、碧璽、充填碧璽、托帕石、覆膜托帕石、翡翠、覆膜翡翠、琥珀、覆膜琥珀共計(jì)21粒。
選用去離子水作為檢測(cè)液體。
實(shí)驗(yàn)儀器誤差為1%。
(2)測(cè)量過(guò)程
在相同實(shí)驗(yàn)條件下分別對(duì)21粒待測(cè)樣品逐一清洗，進(jìn)行測(cè)試并記錄數(shù)據(jù)。具體測(cè)量步驟如下。
①用酒精清潔樣品表面。
②將待測(cè)樣品放置在樣品臺(tái)上，固定寶石并使寶石待測(cè)表面水平。
③使用計(jì)算機(jī)軟件調(diào)節(jié)控制液體體積及液滴速率，待液滴穩(wěn)定后，微調(diào)樣品臺(tái)，使液滴與樣品臺(tái)上的樣品觸碰，測(cè)量樣品的接觸角。
本次實(shí)驗(yàn)已知水的表面張力72.8 mN/m(20℃)，利用公式計(jì)算得出各寶玉石品種的表面張力分別為：鉆石67.4 mN/m，合成碳硅石68.6 mN/m，合成立方氧化鋯(CZ)71.5 mN/m，紅寶石60.5 mN/m，合成紅寶石58.8 mN/m，藍(lán)寶石60.1 mN/m，合成藍(lán)色寶石60.3 mN/m，橄欖石66.6 mN/m，透輝石70.5 mN/m，長(zhǎng)石71.2 mN/m，黃水晶71.5 mN/m，碧璽67 mN/m，托帕石72.3 mN/m，翡翠70.4 mN/m，琥珀49.9 mN/m。從表面張力數(shù)值的差異可以看出，部分不同品種寶玉石的表面張力數(shù)值有較大差異，如鉆石67.4 mN/m，紅寶石60.5 mN/m，琥珀49.9 mN/m；也有部分其表面張力數(shù)值較為接近，如長(zhǎng)石71.2 mN/m，黃水晶71.5 mN/m。因此，表面張力數(shù)值僅可作為寶玉石品種的輔助鑒定依據(jù)。