液體表面張力測試方法【內(nèi)容相關(guān)】

1、,液體表面張力的測試方法,紡織化學(xué)與染整工程,1,專業(yè)傾力,前 言,液體表面區(qū)的分子由于受力不平衡產(chǎn)生的向內(nèi)收縮的單位長度的力, 即表面張力。它分為靜態(tài)表面張力和動(dòng)態(tài)表面張力。通常液體的表面張力, 自其液體表面形成之后, 隨著時(shí)間的推移而有所變化。在新的液體表面形成的瞬間, 經(jīng)過約1 s 以上時(shí)的表面張力, 稱作靜態(tài)表面張力;在1 s 以下的表面張力稱作動(dòng)態(tài)表面張力。表面張力是多相系統(tǒng)的重要界面性質(zhì), 對于泡沫分離、蒸餾、萃取、乳化、吸附、潤濕等過程存在重要影響。在實(shí)際生產(chǎn)過程中, 動(dòng)態(tài)表面張力更有意義, 因?yàn)樗从吵鰝髻|(zhì)過程以及吸附、粘附、鋪展等過程的有關(guān)信息, 這對于化工過程的設(shè)計(jì)與研究是

2、非常有意義的。現(xiàn)有的表面張力測定95%都是常壓或沸點(diǎn)條件下進(jìn)行的, 現(xiàn)在越來越需要考察不同溫度和壓力條件下表面張力的測定。,2,專業(yè)傾力,液體表面張力的測定方法分靜力學(xué)法和動(dòng)力學(xué)法。靜力學(xué)法有毛細(xì)管上升法、du Noy 環(huán)法、Wilhelmy 盤法、旋滴法、懸滴法、滴體積法、最大氣泡壓力法; 動(dòng)力學(xué)法有震蕩射流法、毛細(xì)管波法。其中毛細(xì)管上升法和最大氣泡壓力法不能用來測液- 液界面張力。Wilhelmy 盤法, 最大氣泡壓力法, 震蕩射流法, 毛細(xì)管波法可以用來測定動(dòng)態(tài)表面張力。由于動(dòng)力學(xué)法本身較復(fù)雜, 測試精度不高, 而先前的數(shù)據(jù)采集與處理手段都不夠先進(jìn), 致使此類測定方法成功應(yīng)用的實(shí)例很少。

3、因此, 迄今為止, 實(shí)際生產(chǎn)中多采用靜力學(xué)測定方法。,3,專業(yè)傾力,1 典型的靜力學(xué)法,1.1 毛細(xì)管上升法 1.1.1 測定原理 將一支毛細(xì)管插入液體中, 液體將沿毛細(xì)管上升, 升到一定高度后, 毛細(xì)管內(nèi)外液體將達(dá)到平衡狀態(tài), 液體就不再上升了。此時(shí), 液面對液體所施加的向上的拉力與液體總向下的力相等。則=1 /2(l-g)ghrcos (1) (1)式中為表面張力, r為毛細(xì)管的半徑, h為毛細(xì)管中液面上升的高度,l為測量液體的密度,g為氣體的密度( 空氣和蒸氣) , g為當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣? 為液體與管壁的接觸角。若毛細(xì)管管徑很小, 而且=0 時(shí), 則上式(1)可簡化為=1/2ghr (2

4、）,4,專業(yè)傾力,1.1.2 優(yōu)點(diǎn) 本法是用來直接測定液體表面張力的最為準(zhǔn)確的絕對方法之一, 也是應(yīng)用最多的方法之一。由于它不僅理論完整, 而且實(shí)驗(yàn)條件可以嚴(yán)格控制, 是一種重要的測定方法。隨著技術(shù)的發(fā)展, 毛細(xì)管上升技術(shù)也可以用來測定動(dòng)態(tài)表面張力。此方法還曾被用于高溫高壓條件下表面張力的測定，但溫度一般不超過100, 壓強(qiáng)不超過13.8 MPa,5,專業(yè)傾力,1.1.3 缺點(diǎn) (1) 不易選得內(nèi)徑均勻的毛細(xì)管和準(zhǔn)確測定內(nèi)徑值; (2) 液體與管壁的接觸角不易測量; (3) 溶液的純度會(huì)對表面張力的測量造成不同程度的影響。 (4) 需要較多液體才能獲得水平基準(zhǔn)面( 一般認(rèn)為直徑在10 cm 以

5、上液面才能看作平面)，所以基準(zhǔn)液面的確定可能產(chǎn)生誤差。,6,專業(yè)傾力,1.2 Wilhelmy 盤法 1.2.1 測定原理 用鉑片、云母片或顯微鏡蓋玻片掛在扭力天平或鏈?zhǔn)教炱缴? 測定當(dāng)片的底邊平行面剛好接觸液面時(shí)的壓力, 由此得表面張力, 公式為: W總-W片=2lcos 式中,W總為薄片與液面拉脫時(shí)的最大拉力,W片為薄片的重力, l為薄片的寬度, 薄片與液體的接觸的周長近似為2l, 為薄片與液體的接觸角。,7,專業(yè)傾力,1.2.2 方法特點(diǎn) 它具有完全平衡的特點(diǎn)。這是常用的實(shí)驗(yàn)方法之一, 且簡單, 操作方便, 不需要密度數(shù)據(jù), 直觀可靠, 不僅可用于測定氣- 液表面張力, 也可用于測定液-

6、液界面張力。精確度可達(dá)到0.11 mNm-1。但存在的缺點(diǎn)是: (1) 要求是液體必須很好地濕潤薄片,保持接觸角為零; (2) 需要標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)校正浮力; (3) 測定容器需要足夠大; (4) 不適合高溫高壓和深顏色液體的測定; (5) 清潔程序復(fù)雜; (6) 測定時(shí)穩(wěn)定慢, 不適合及時(shí)測量。,8,專業(yè)傾力,1.3 懸滴法 1.3.1 測定原理 懸滴法是根據(jù)在水平面上自然形成的液滴形狀計(jì)算表面張力。在一定平面上, 液滴形狀與液體表面張力和密度有直接關(guān)系。由Laplace 公式, 描述在任意的一點(diǎn)P 曲面內(nèi)外壓差為 式中R1, R2 為液滴的主曲率半徑; z 為以液滴頂點(diǎn)O為原點(diǎn), 液滴表面上P 的

7、垂直坐標(biāo); P0 為頂點(diǎn)O處的靜壓力。 定義S= ds/de式中de為懸滴的最大直徑, ds為離頂點(diǎn)距離為de處懸滴截面的直徑再定義H=(de/b)2 則得= (l-g)gde2/H,9,專業(yè)傾力,式中b為液滴頂點(diǎn)O處的曲率半徑。若相對應(yīng)與懸滴的S值得到的1/H為已知, 即可求出表(界) 面張力。即可算出作為S的函數(shù)的1/H值。因?yàn)榭刹捎枚ㄆ跀z影或測量ds/de 數(shù)值隨時(shí)間的變化, 懸滴法可方便地用于測定表(界)面張力。,10,專業(yè)傾力,1.3.2 優(yōu)點(diǎn) 除了它對樣品的濕潤性無嚴(yán)格要求, 不受接觸角影響外, 還有測定范圍廣(不僅可測定液體的靜態(tài), 還可測定液體的動(dòng)態(tài)表面張力) 的特點(diǎn)。這是一種

8、液體用量少而且應(yīng)用廣泛的方法, 也比較適用于高溫高壓條件下液體表面張力和低表面張力的測定, 可以用來測定200和81.7MPa 條件下的液體表面張力。 1.3.3 缺點(diǎn) (1) 設(shè)備復(fù)雜, 操作麻煩; (2) 數(shù)據(jù)處理也復(fù)雜; (3) 待測物質(zhì)的性質(zhì)需要事先準(zhǔn)確知道。,11,專業(yè)傾力,1.4 滴體積法 1.4.1 測定原理 當(dāng)一滴液體從毛細(xì)管滴頭滴下時(shí), 液滴的重力與液滴的表面張力以及滴頭的大小有關(guān)。表示液滴重力(mg) 的簡單關(guān)系式:mg=2r 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 實(shí)際體積小得多。因此就引入了校正因子f(r/V1/3), 則更精確的表面張力可以表示為:= mg/2rf(r/v1/3)其中m為液滴

9、的質(zhì)量, V 為液滴體積, f 為校正因子。只要測出數(shù)滴液體的體積, 就可計(jì)算出該液體的表面張力。,12,專業(yè)傾力,1.4.2 方法特點(diǎn) 此法是一種相對精確而又可能是最方便的方法之一, 它的樣品制備簡單, 溫度時(shí)間間隔長,只用簡單的溫度控制即可, 可用來測定氣-液和液-液界面, 且樣品的用量少。 但存在的缺點(diǎn)是: (1) 至今只能算是一種經(jīng)驗(yàn)方法; (2) 不能用來測定達(dá)到平衡較慢的表面張力,同時(shí)該法也不能達(dá)到完全的平衡; (3) 存在準(zhǔn)確測定液體體積和很好地控制液滴滴落速度等問題。,13,專業(yè)傾力,1.5 最大氣泡壓力法 1.5.1 測定原理 若在密度為的液體中, 插入一個(gè)半徑為r的毛細(xì)管,

10、 深度為t, 經(jīng)毛細(xì)管吹入一極小的氣泡, 其半徑恰好與毛細(xì)管半徑相等。此刻, 氣泡內(nèi)壓力最大。根據(jù)拉普拉斯公式, 氣泡最大壓力為,14,專業(yè)傾力,1.5.2 優(yōu)點(diǎn) 此種方法設(shè)備簡單, 操作方便, 不需要完全濕潤, 它既是相對的方法, 也是絕對的方法。可以測量靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的表面張力, 測量的有效時(shí)間范圍大, 溫度范圍寬。 1.5.3 缺點(diǎn) (1) 氣泡不斷生成可能會(huì)擾動(dòng)液面平衡, 改變液體表面溫度, 因此不易控制氣泡形成速度; (2) 要求在氣泡逸出瞬間讀取氣泡的最大壓力, 因此此值很難測準(zhǔn); (3) 毛細(xì)管的半徑不易準(zhǔn)確測定; (4) 此法中, 最大壓差為大氣壓與系統(tǒng)壓力的差值, 因此, 當(dāng)室內(nèi)氣流流動(dòng)時(shí), 會(huì)造成大氣壓的變化, 使實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定誤差; (5) 為了消除溶液靜壓對測定結(jié)果的影響, 測定時(shí)要求測量的毛細(xì)管插入液體中的深度為0,但要調(diào)整毛細(xì)管尖端與被測液面相切有一定的難度。,15,專業(yè)傾力,1.5.5 差分最大氣泡壓力法 1.5.5.1 測定原理 差分最大氣泡壓力法原理是:兩個(gè)同質(zhì)異徑的毛細(xì)管插入被測液體中, 氣泡從毛細(xì)管中通過后到達(dá)液體中, 測量兩個(gè)毛細(xì)管中氣泡的最大壓力p1和p2, 表面張力是壓差的函數(shù), 計(jì)算公式為 式中p 為兩毛細(xì)管的壓差, t 為兩管插入液面的高度差。,16,專業(yè)傾力,1.5.5.2