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1、,,液體表面張力的測(cè)試方法,紡織化學(xué)與染整工程,,,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(zhǎng)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(guò)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(duì)于泡沫分離、蒸餾、萃取、乳化、吸附、潤(rùn)濕等過(guò)程存在重要影響。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中, 動(dòng)態(tài)表面張力更有意義, 因?yàn)樗从吵鰝髻|(zhì)過(guò)程以及吸附、粘附、鋪展等過(guò)程的有關(guān)信息, 這對(duì)于化工過(guò)程的設(shè)計(jì)與研究是非常有意

2、義的。現(xiàn)有的表面張力測(cè)定95%都是常壓或沸點(diǎn)條件下進(jìn)行的, 現(xiàn)在越來(lái)越需要考察不同溫度和壓力條件下表面張力的測(cè)定。,,,液體表面張力的測(cè)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(pán)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(lái)測(cè)液- 液界面張力。Wilhelmy 盤(pán)法, 最大氣泡壓力法, 震蕩射流法, 毛細(xì)管波法可以用來(lái)測(cè)定動(dòng)態(tài)表面張力。由于動(dòng)力學(xué)法本身較復(fù)雜, 測(cè)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(cè)定方法成功應(yīng)用的實(shí)例很少。因此, 迄今為止,

3、 實(shí)際生產(chǎn)中多采用靜力學(xué)測(cè)定方法。,,1 典型的靜力學(xué)法,1.1 毛細(xì)管上升法 1.1.1 測(cè)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(duì)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(cè)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(jiǎn)化為=1/2ghr (2）,,,1.1.2 優(yōu)點(diǎn)

4、 本法是用來(lái)直接測(cè)定液體表面張力的最為準(zhǔn)確的絕對(duì)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(cè)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(lái)測(cè)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(cè)定，但溫度一般不超過(guò)100, 壓強(qiáng)不超過(guò)13.8 MPa,,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(cè)定內(nèi)徑值; (2) 液體與管壁的接觸角不易測(cè)量; (3) 溶液的純度會(huì)對(duì)表面張力的測(cè)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 以上液面才能看作平面)，所以基準(zhǔn)液面的確定可能產(chǎn)

5、生誤差。,,1.2 Wilhelmy 盤(pán)法 1.2.1 測(cè)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(cè)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(zhǎng)近似為2l, 為薄片與液體的接觸角。,,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(jiǎn)單, 操作方便, 不需要密度數(shù)據(jù), 直觀可靠, 不僅可用于測(cè)定氣- 液表面張力, 也可用于測(cè)定液-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

6、) 要求是液體必須很好地濕潤(rùn)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(cè)定容器需要足夠大; (4) 不適合高溫高壓和深顏色液體的測(cè)定; (5) 清潔程序復(fù)雜; (6) 測(cè)定時(shí)穩(wěn)定慢, 不適合及時(shí)測(cè)量。,,1.3 懸滴法 1.3.1 測(cè)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

7、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,式中b為液滴頂點(diǎn)O處的曲率半徑。若相對(duì)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(cè)量ds/de 數(shù)值隨時(shí)間的變化, 懸滴法可方便地用于測(cè)定表(界)面張力。,,1.3.2 優(yōu)點(diǎn) 除了它對(duì)樣品的濕潤(rùn)性無(wú)嚴(yán)格要求, 不受接觸角影響外, 還有測(cè)定范圍廣(不僅可測(cè)定液體的靜態(tài), 還可測(cè)定液體的動(dòng)態(tài)表面張力) 的特點(diǎn)。這是一種液體用量少而且應(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(cè)定, 可以用來(lái)

8、測(cè)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(cè)物質(zhì)的性質(zhì)需要事先準(zhǔn)確知道。,,,1.4 滴體積法 1.4.1 測(cè)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(jiǎn)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為液滴的質(zhì)量, V 為液滴體積, f 為校正因子。只要測(cè)出數(shù)滴液體的體積, 就可計(jì)算出該液體的表面張力。,,1.4.

9、2 方法特點(diǎn) 此法是一種相對(duì)精確而又可能是最方便的方法之一, 它的樣品制備簡(jiǎn)單, 溫度時(shí)間間隔長(zhǎng),只用簡(jiǎn)單的溫度控制即可, 可用來(lái)測(cè)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(lái)測(cè)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(cè)定液體體積和很好地控制液滴滴落速度等問(wèn)題。,,1.5 最大氣泡壓力法 1.5.1 測(cè)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, 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,1

10、.5.2 優(yōu)點(diǎn) 此種方法設(shè)備簡(jiǎn)單, 操作方便, 不需要完全濕潤(rùn), 它既是相對(duì)的方法, 也是絕對(duì)的方法?？梢詼y(cè)量靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的表面張力, 測(cè)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(cè)準(zhǔn); (3) 毛細(xì)管的半徑不易準(zhǔn)確測(cè)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(cè)得的數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定誤差; (5) 為了消除溶液靜壓對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響, 測(cè)定時(shí)要求測(cè)量的毛細(xì)管插入液體中的深

11、度為0,但要調(diào)整毛細(xì)管尖端與被測(cè)液面相切有一定的難度。,,1.5.5 差分最大氣泡壓力法 1.5.5.1 測(cè)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(cè)液體中, 氣泡從毛細(xì)管中通過(guò)后到達(dá)液體中, 測(cè)量?jī)蓚€(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。,1.5.5.2 優(yōu)點(diǎn) (1) 通過(guò)調(diào)整毛細(xì)管的插入深度來(lái)降低測(cè)量和計(jì)算的復(fù)雜程度; (2) 現(xiàn)在的技術(shù)可用來(lái)測(cè)絕對(duì)表面張力也可用來(lái)測(cè)相對(duì)表面張力; (3) 通過(guò)選擇合適的毛細(xì)管, 大范圍的氣泡生成周期是可以達(dá)到的, 從十分之一秒到幾分鐘, 而且可用來(lái)測(cè)動(dòng)態(tài)表面張力; (4) 此種方法比差分毛細(xì)管上升法有更好的重復(fù)性。,,,,謝謝,