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表面张力测试仪试验原理和方法解析

发布时间:2021-03-16      点击次数:515
  什么是表面张力?
  表面张力的测试方法,接触角测量粗糙度和润湿性液体分子之间的内聚力负责称为表面张力的现象。表面上的分子在所有面上都没有相似的相邻原子,因此它们在表面上与它们直接关联的分子更强烈地结合在一起。这就形成了一个表面“膜”,这使得在物体被完全浸没时移动物体比移动物体更困难。同样的情况也适用于不混合在一起的两种液体的界面。在这种情况下,使用界面张力。表面和界面张力有几个不同的单元。
  界面张力,也叫液体的表面张力,就是液体与空气间的界面张力。在数值上与比界面能相等。固体表面与空气的界面之间的界面张力,就是固体表面的自由能。固体表面不同的材质,其表面自由能不同,金属和一般无机物表面的能量在100mN/m以上,称为高能表面;塑料等有机物表面的能量较低,称为低能表面。界面张力,也叫液体的表面张力,就是液体与空气间的界面张力。在数值上与比界面能相等。液体与另一种不相混溶的液体接触,其界面产生的力叫液相与液相间的界面张力。液体与固体表面接触,其界面产生的力叫液相与固相间的界面张力。液体的表面张力,就是液体表面的自由能。固体表面与空气的界面之间的界面张力,就是固体表面的自由能。固体表面不同的材质,其表面自由能不同,金属和一般无机物表面的能量在100mN/m以上,称为高能表面;塑料等有机物表面的能量较低,称为低能表面。
  表面张力和界面张力是什么?
  表面张力是如何测量的?
  平衡表面张力可以用力或光学张力计测量。
  力量测定法
  由张力计进行的表面张力和界面张力的测量是基于探针与两种流体界面的相互作用的力测量。可以通过确保在开始实验之前将探针的大部分浸没在光相位中,像表面张力测量一样执行界面张力测量。
  在这些实验中,一个探头挂在天平上,并与测试的液体界面接触。当探针与液体表面相互作用时,平衡所经历的力可以用来计算表面张力。在这种情况下存在的力取决于以下因素:探针的尺寸和形状、液/固相互作用的接触角和液体的表面张力。探针的尺寸和形状易于控制。接触角控制为零(完全润湿)。这是通过使用高能表面的探针来实现的。注意?探针由铂/铱合金制成,确保完全润湿和容易和可靠的清洁。力测量的数学解释取决于所用探针的形状。通常使用两种类型的探针,即杜氏环和威廉板。金属棒也可以用来限制液体样品体积。
  表面张力常用的测试方法:
  1、铂金板法:
  当感测浸入到被测液体后,白金板周围就会受到表面张力的作用,液体的表面张力会将白金板尽量地往下拉。当液体表面张力及其他相关的力与平衡力达到均衡时,感测白金板就会停止向液体内部浸入。这时候,仪器的平衡感应器就会测量浸入深度,并将它转化为液体的表面张力值。
  铂金板法是用24mm×10mm×0.1mm的铂金板,表面进行喷砂粗化处理,为的是更好地与被测液体润湿。测试时将铂金板轻轻地接触到液面(或界面),由于液体表面张力的作用会将铂金板往下拉,当液体的表面张力及其他相关的力与仪器测试的反向的力达到平衡时,测试值就稳定不变,如果是蒸馏水、乙醇等纯物质,整个测试过程快只有几秒钟。
  2、铂金环法:
  由于被广泛应用于duNouy表面张力仪,这种方法又称为duNouy法,并因之操作简便而被广泛使用。白金环法这个称法是因测试部分与液体样品间会形成一个环形而得的。
  铂金环法是一种传统的测试方法,从发明到现在有约70年左右的时间。它是用直径0.37mm的铂金丝做成周长为60mm的环。测试时先将铂金环浸入液面(或二种不相混合的界面)下2-3mm,然后再慢慢将铂金环向上提,如图所示,环与液面会形成一个膜。膜对铂金环会有一个向下拉的力,测量整个铂金环上提过程中膜对环的所作用的大力值,再换算成真正的表面(界面)张力值。由于这种方法测试起来比较麻烦,测试误差也比较大,已迅速被铂金板法所取代。
  3、旋转滴法:
  旋滴法的基本原理是根据Bashforth-Adams方程从滴的形状和尺寸求出界面张力,通过旋转使液滴处于一定的离心力场之中,调节转速可改变液滴的平衡形状以便于测定。主要测量超低界面张力。
  通常,我们在样品管中充满高密度相液体,再加入少量低密度相液体(或气体,用于测液体与气体间的界面张力值),密封地装在旋转滴界面张力仪上,使样品管平等于旋转轴并与转轴同心。开动机器,转轴携带液体以角速度ω自旋。在离心力、重力及界面张力作用下,低密度相液体在高密度相液体中形成一长球形或圆柱形液滴。其形状由转速ω和界面张力决定。测定液滴的滴长(L)以及宽度(D)值以及两相液体密度差(?ρ)以及旋转转速ω,即可计算出界面张力值。当转动角速度足够大时,旋转滴通常呈现平躺的圆柱形,两端成半圆状。
  这时界面张力计算公式通常为:
  γab=?ρω2R03/4其中R0为圆柱半径。但这仅是一般公式,事实上,在计算界面张力值时,我们有各种公式的变化,从而产生各种计算公式。
  4、悬滴法:
  通过处理大的液滴的图像来计算表面张力。
  样品管中装满高密度相,然后再在高密度相中注入一滴低密度相(液滴),样品管在马达的带动下转动,在离心力的作用下液滴在样品管的中心轴线上,并且被拉伸变形。
  5、气泡压力法:
  毛细管与气体接口和灵敏压力传感器相连,气体通过毛细管,在毛细管端形成气泡,并测出此气泡的压力,转换成表面张力。
  这也是测定液体表面张力的一种常用的方法,测定时将一根毛细管插入待测液体内部,从管中缓慢地通入惰性气体对其内的液体施以压力,使它能在管端形成气泡逸出。当所用的毛细管管径较小时,可以假定所产生的气泡都是球面的一部分,但是气泡在生成及发展过程中,气泡的曲率半径将随惰性气体的压力变化而改变,当气泡的形状恰为半球形时,气泡的曲率半径为小,正好等于毛细管半径。如果此时继续通入惰性气体,气泡便会猛然胀大,并且迅速地脱离管端逸出或突然破裂。
  气泡压力法特点
  此方法与接触角无关,装置简单,测定快速;经过适当的设计可以用于熔融金属和熔盐的表面张力测量。由于气泡法表面张力仪能够模拟表面活性剂的随时间的变化情况,并且可以绘制完整的表面张力变化曲线,在工业生产中应用十分广泛。
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