旋轉液滴界面張力測定儀的研制

旋轉液滴界面張力測定儀的研制

1表面活性劑的應用液體和液體界面是由兩種不相容的液體接觸形成的物理界面。它存在于生物體和自然界，對生命和生命體驗、工業(yè)生產(chǎn)和日常生活非常重要。液液界面張力是垂直通過液液界面上任一單位長度、與界面相切的收縮界面的力,是一種重要的化工基礎數(shù)據(jù),在界面化學、液液萃取、表面活性劑開發(fā)、三次采油等方面都具有廣泛的應用。液液界面張力的測定方法有很多,如毛細上升或下降法、脫環(huán)法、滴體積法(滴重法)、吊片法、泡壓法(氣泡最大壓力法)、停滴法、懸滴法等。而能適用于低界面張力(10-1～10-2mN/m)或超低界面張力(低于10-3mN/m)測定的方法卻很少,上述方法中只有滴外形法尚可應用,但實際測定時非常困難。通常只有在采用旋轉液滴法測定低或超界面張力時,人為地改變了原來重力與界面張力的平衡,通過使體系旋轉,增加離心力場的作用實現(xiàn)界面張力的測定。旋轉液滴法是一種光學設備及其它設施要求都相對簡單、易于建立且有較好正確度的測定方法。國外雖有商品出售,但價格昂貴,國內(nèi)除少數(shù)單位已引進該儀器外,卻無研制的報道。本文將介紹一種低或超低界面張力測定裝置—旋轉液滴界面張力儀,并用該儀器測定一些兩相系統(tǒng)的界面張力。2低密度液滴的界面張力的測定在一旋轉的樣品管C中充滿高密度為ρB的液體,加入低密度為ρA的液滴A使它懸浮在液體B中,密閉地安裝在旋轉液滴儀的樣品管中,這時樣品管平行于旋轉軸D,如圖1所示。開動機器后,以樣品管中心軸為轉軸,攜帶液體以角速度ω旋轉。在離心力、重力及界面張力的作用下,低密度液滴在高密度液體中形成一長球形或圓柱形液滴,其形狀由旋轉速度和兩液體之間的界面張力決定。假設液滴A經(jīng)拉長后與旋轉軸重合,忽略重力和浮力的影響,當角速度ω足夠大時,可將其看作是帶有兩個半圓底的圓柱體。Vonnegut從液滴體積不變時,液滴A的總能量最小的原則出發(fā),導出了界面張力的近似計算公式:γ=Δρω2y03/4(1)式中Δρ=ρB-ρAy0——液滴A被拉伸后垂直方向的最大半徑鑒于液滴A被拉伸后垂直方向的最大半徑比較小,測定比較困難,而且準確度很難保證。因此,將上式進行了變化,改寫為:γ=14?π?0.5?Δρ?ω2?V0.5?L?0.5(2)γ=14?π-0.5?Δρ?ω2?V0.5?L-0.5(2)這樣,只要通過測定被測低密度相液體體積V、旋轉的角速度ω以及兩液體的密度差Δρ,便可從上述方程求得兩相間的界面張力γ。3低、超低界面張力的間接測定本儀器的檢測對象是玻璃樣品管的轉速(ω)和低密度液滴長度(L),借助于公式(2),便可實現(xiàn)對低或超低界面張力γ的間接測定。它主要由夾持、旋轉驅動、速度控制與測速、測長等部分組成(圖2)。3.1璃樣品管轉軸與轉軸的關系它的作用是將玻璃樣品管13固定在空心轉軸16之中。玻璃樣品管由雙精密玻璃管制成。由于它需要高速旋轉,因此必須保證玻璃樣品管與轉軸同軸,玻璃樣品管能軸向定位,且使樣品管保持水平。在本儀器中對這些問題均作了考慮。3.2微電機和轉速控制器其功能是帶動試管裝夾機構高速平穩(wěn)的旋轉。為此,做了如下考慮:第一,選用了高性能微電機和調(diào)速控制器以降低轉速波動與機體振動;第二,在電機與轉軸之間采用了同步帶傳動,以隔離電機的振動,確保轉軸的運轉更加平穩(wěn);第三,在轉軸與支座間采用了高精度滾動軸承(C級)連接,以保證轉軸的旋轉精度;第四,保證支座兩軸承孔的同軸度要求。3.3流電機與旋轉軸相聯(lián)這部分的作用是調(diào)節(jié)和測定旋轉速度,將磁串可變速交/直流電機以軟連接形式與旋轉軸相聯(lián),以減少電機轉動時對軸的振動性。電機轉速通過微電機控制電路調(diào)壓控制,轉速的穩(wěn)定性優(yōu)于1%,用周期穩(wěn)定性為10-3的計數(shù)器進行測定。3.4測量顯微鏡部件其功能是實現(xiàn)對低密度液滴(在高速旋轉中呈現(xiàn)出圓柱體形狀)長度的測量。本儀器采用了一維測量顯微鏡部件。它主要由顯微鏡6、滑板9、精密絲桿副18、20、直線圓柱導軌10、7、刻度標尺14和讀數(shù)鼓輪11等環(huán)節(jié)組成。其特點是結構簡單、緊湊,操作方便,有較高的測量準確度和靈敏度。儀器在使用時,應保持一定的恒溫環(huán)境。4玻璃管旋轉軸線張力法測界面張力用針筒將高密度相注入并充滿整個玻璃樣品管,蓋上蓋子,使多余的液體從蓋子上的小孔溢出,將樣品管口朝下傾斜約30°,用微量進樣器將一定體積的低密度相液體小心地注入玻璃樣品管中,緩慢轉動玻璃管,以防液滴粘附在管壁上。待液滴上升至玻璃管的中部,再將玻璃管持平,繼續(xù)緩慢旋轉玻璃管,并將玻璃管小心裝入旋轉軸孔中,蓋上旋轉軸蓋子,啟動電機,先在低轉速下旋轉,待被測樣品的溫度恒定、液滴位置穩(wěn)定后,再逐漸加大轉速。通過旋轉讀數(shù)鼓輪,將顯微鏡目鏡中的刻度線分別對準低密度相液滴的兩端,并分別讀取刻度標尺上的兩次數(shù)值,即可測量出被拉長的低密度相液滴圓柱形長度。同時在顯微鏡的目鏡標尺上讀出被拉長的低密度相液滴圓柱形直徑。再按式2計算出界面張力。計算界面張力所需的相密度及折光指數(shù)分別可從相關的文獻或用密度瓶、阿貝折光儀精確測定出來。所有的有機或無機試劑均為分析純。表1給出了不同兩相系統(tǒng)的界面張力的實驗值,并與文獻值進行了比較。從表中的數(shù)據(jù)來看,實驗值的重現(xiàn)性較好,實驗值的偏差小于3%;與文獻值也比較符合。表明本旋轉液滴界面張力儀具有較好的測量準確度,可用于液液界面張力的測定。5低或超低界面張力間接測定本文自行研制了一臺用于低或超低界面張力測定裝置—旋轉液滴界面張力測定儀。該測定儀主要是由夾持、旋轉驅動、速度控制與測速、測長等部分組成,通過對檢測低密度液相的體積(V)、樣品管的轉速(ω)和低密度液滴長