液体表面张力测试方法

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,液体表面张力的测试方法,纺织化学与染整工程,前 言,液体表面区的分子由于受力不平衡产生的向内收缩的单位长度的力,即表面张力。它分为静态表面张力和动态表面张力。通常液体的表面张力,自其液体表面形成之后,随着时间的推移而有所变化。在新的液体表面形成的瞬间,经过约,1 s,以上时的表面张力,称作静态表面张力,;,在,1 s,以下的表面张力称作动态表面张力。表面张力是多相系统的重要界面性质,对于泡沫分离、蒸馏、萃取、乳化、吸附、润湿等过程存在重要影响。在实际生产过程中,动态表面张力更有意义,因为它反映出传质过程以及吸附、粘附、铺展等过程的有关信息,这对于化工过程的设计与研究是非常有意义的。现有的表面张力测定,95%,都是常压或沸点条件下进行的,现在越来越需要考察不同温度和压力条件下表面张力的测定。,液体表面张力的测定方法分静力学法和动力学法。静力学法有毛细管上升法、,du,Noy,环法、,Wilhelmy,盘法、旋滴法、悬滴法、滴体积法、最大气泡压力法,;,动力学法有震荡射流法、毛细管波法。其中毛细管上升法和最大气泡压力法不能用来测液,-,液界面张力。,Wilhelmy,盘法,最大气泡压力法,震荡射流法,毛细管波法可以用来测定动态表面张力。由于动力学法本身较复杂,测试精度不高,而先前的数据采集与处理手段都不够先进,致使此类测定方法成功应用的实例很少。因此,迄今为止,实际生产中多采用静力学测定方法。,1,典型的静力学法,1.1,毛细管上升法,1.1.1,测定原理,将一支毛细管插入液体中,液体将沿毛细管上升,升到一定高度后,毛细管内外液体将达到平衡状态,液体就不再上升了。此时,液面对液体所施加的向上的拉力与液体总向下的力相等。则,=1/2(,l,-,g,)ghrcos(1),(1),式中,为表面张力,r,为毛细管的半径,h,为毛细管中液面上升的高度,l,为测量液体的密度,g,为气体的密度,(,空气和蒸气,),g,为当地的重力加速度,为液体与管壁的接触角。若毛细管管径很小,而且,=0,时,则上式,(1),可简化为,=1/2ghr(2,）,1.1.2,优点,本法是用来直接测定液体表面张力的最为准确的绝对方法之一,也是应用最多的方法之一。由于它不仅理论完整,而且实验条件可以严格控制,是一种重要的测定方法。随着技术的发展,毛细管上升技术也可以用来测定动态表面张力。此方法还曾被用于高温高压条件下表面张力的测定，但温度一般不超过,100,压强不超过,13.8,MPa,1.1.3,缺点,(1),不易选得内径均匀的毛细管和准确测定内径值,;,(2),液体与管壁的接触角不易测量,;,(3),溶液的纯度会对表面张力的测量造成不同程度的影响。,(4),需要较多液体才能获得水平基准面,(,一般认为直径在,10 cm,以上液面才能看作平面,),，所以基准液面的确定可能产生误差。,1.2,Wilhelmy,盘法,1.2.1,测定原理,用铂片、云母片或显微镜盖玻片挂在扭力天平或链式天平上,测定当片的底边平行面刚好接触液面时的压力,由此得表面张力,公式为,:,W,总,-W,片,=2lcos,式中,W,总,为薄片与液面拉脱时的最大拉力,W,片,为薄片的重力,l,为薄片的宽度,薄片与液体的接触的周长近似为,2l,为薄片与液体的接触角。,1.2.2,方法特点,它具有完全平衡的特点。这是常用的实验方法之一,且简单,操作方便,不需要密度数据,直观可靠,不仅可用于测定气,-,液表面张力,也可用于测定液,-,液界面张力。精确度可达到,0.11 mN,m,-1,。但存在的缺点是,:,(1),要求是液体必须很好地湿润薄片,保持接触角为零,;,(2),需要标准物质校正浮力,;,(3),测定容器需要足够大,;,(4),不适合高温高压和深颜色液体的测定,;,(5),清洁程序复杂,;,(6),测定时稳定慢,不适合及时测量。,1.3,悬滴法,1.3.1,测定原理,悬滴法是根据在水平面上自然形成的液滴形状计算表面张力。在一定平面上,液滴形状与液体表面张力和密度有直接关系。由,Laplace,公式,描述在任意的一点,P,曲面内外压差为,式中,R,1,R,2,为液滴的主曲率半径,;z,为以液滴顶点,O,为原点,液滴表面上,P,的垂直坐标,;P,0,为顶点,O,处的静压力。,定义,S=,ds,/de,式中,de,为悬滴的最大直径,ds,为离顶点距离为,de,处悬滴截面的直径再定义,H=(de/b),2,则得,=(,l,-,g,)gde,2,/H,式中,b,为液滴顶点,O,处的曲率半径。若相对应与悬滴的,S,值得到的,1/H,为已知,即可求出表,(,界,),面张力。即可算出作为,S,的函数的,1/H,值。因为可采用定期摄影或测量,ds,/de,数值随时间的变化,悬滴法可方便地用于测定表,(,界,),面张力。,1.3.2,优点,除了它对样品的湿润性无严格要求,不受接触角影响外,还有测定范围广,(,不仅可测定液体的静态,还可测定液体的动态表面张力,),的特点。这是一种液体用量少而且应用广泛的方法,也比较适用于高温高压条件下液体表面张力和低表面张力的测定,可以用来测定,200,和,81.7MPa,条件下的液体表面张力。,1.3.3,缺点,(1),设备复杂,操作麻烦,;,(2),数据处理也复杂,;,(3),待测物质的性质需要事先准确知道。,1.4,滴体积法,1.4.1,测定原理,当一滴液体从毛细管滴头滴下时,液滴的重力与液滴的表面张力以及滴头的大小有关。表示液滴重力,(mg),的简单关系式,:mg=2r,实验结果表明,实际体积小得多。因此就引入了校正因子,f(r/V1/3),则更精确的表面张力可以表示为,:=mg/2rf(r/v1/3),其中,m,为液滴的质量,V,为液滴体积,f,为校正因子。只要测出数滴液体的体积,就可计算出该液体的表面张力。,1.4.2,方法特点,此法是一种相对精确而又可能是最方便的方法之一,它的样品制备简单,温度时间间隔长,只用简单的温度控制即可,可用来测定气,-,液和液,-,液界面,且样品的用量少。,但存在的缺点是,:,(1),至今只能算是一种经验方法,;,(2),不能用来测定达到平衡较慢的表面张力,同时该法也不能达到完全的平衡,;,(3),存在准确测定液体体积和很好地控制液滴滴落速度等问题。,1.5,最大气泡压力法,1.5.1,测定原理,若在密度为,的液体中,插入一个半径为,r,的毛细管,深度为,t,经毛细管吹入一极小的气泡,其半径恰好与毛细管半径相等。此刻,气泡内压力最大。根据拉普拉斯公式,气泡最大压力为,1.5.2,优点,此种方法设备简单,操作方便,不需要完全湿润,它既是相对的方法,也是绝对的方法。可以测量静态和动态的表面张力,测量的有效时间范围大,温度范围宽。,1.5.3,缺点,(1),气泡不断生成可能会扰动液面平衡,改变液体表面温度,因此不易控制气泡形成速度,;,(2),要求在气泡逸出瞬间读取气泡的最大压力,因此此值很难测准,;,(3),毛细管的半径不易准确测定,;,(4),此法中,最大压差为大气压与系统压力的差值,因此,当室内气流流动时,会造成大气压的变化,使实验测得的数据产生一定误差,;,(5),为了消除溶液静压对测定结果的影响,测定时要求测量的毛细管插入液体中的深度为,0,但要调整毛细管尖端与被测液面相切有一定的难度。,1.5.5,差分最大气泡压力法,1.5.5.1,测定原理,差分最大气泡压力法原理是,:,两个同质异径的毛细管插入被测液体中,气泡从毛细管中通过后到达液体中,测量两个毛细管中气泡的最大压力,p,1,和,p,2,表面张力是压差的函数,计算公式为,式中,p,为两毛细管的压差,t,为两管插入液面的高度差。,1.5.5.2,优点,(1),通过调整毛细管的插入深度来降低测量和计算的复杂程度,;,(2),现在的技术可用来测绝对表面张力也可用来测相对表面张力,;,(3),通过选择合适的毛细管,大范围的气泡生成周期是可以达到的,从十分之一秒到几分钟,而且可用来测动态表面张力,;,(4),此种方法比差分毛细管上升法有更好的重复性。,谢谢,