.,液體表面張力的測試方法,紡織化學與染整工程,.,前言,液體表面區的分子由于受力不平衡產生的向內收縮的單位長度的力,即表面張力。它分為靜態表面張力和動態表面張力。通常液體的表面張力,自其液體表面形成之后,隨著時間的推移而有所變化。在新的液體表面形成的瞬間,經過約1s以上時的表面張力,稱作靜態表面張力;在1s以下的表面張力稱作動態表面張力。表面張力是多相系統的重要界面性質,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。在實際生產過程中,動態表面張力更有意義,因為它反映出傳質過程以及吸附、粘附、鋪展等過程的有關信息,這對于化工過程的設計與研究是非常有意義的。現有的表面張力測定95%都是常壓或沸點條件下進行的,現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。,.,液體表面張力的測定方法分靜力學法和動力學法。靜力學法有毛細管上升法、duNoy環法、Wilhelmy盤法、旋滴法、懸滴法、滴體積法、最大氣泡壓力法;動力學法有震蕩射流法、毛細管波法。其中毛細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,毛細管波法可以用來測定動態表面張力。由于動力學法本身較復雜,測試精度不高,而先前的數據采集與處理手段都不夠先進,致使此類測定方法成功應用的實例很少。因此,迄今為止,實際生產中多采用靜力學測定方法。,.,1典型的靜力學法,1.1毛細管上升法1.1.1測定原理將一支毛細管插入液體中,液體將沿毛細管上升,升到一定高度后,毛細管內外液體將達到平衡狀態,液體就不再上升了。此時,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為毛細管的半徑,h為毛細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為當地的重力加速度,為液體與管壁的接觸角。若毛細管管徑很小,而且=0時,則上式(1)可簡化為=1/2ghr(2）,.,1.1.2優點本法是用來直接測定液體表面張力的最為準確的絕對方法之一,也是應用最多的方法之一。由于它不僅理論完整,而且實驗條件可以嚴格控制,是一種重要的測定方法。隨著技術的發展,毛細管上升技術也可以用來測定動態表面張力。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,壓強不超過13.8MPa,.,1.1.3缺點(1)不易選得內徑均勻的毛細管和準確測定內徑值;(2)液體與管壁的接觸角不易測量;(3)溶液的純度會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面(一般認為直徑在10cm以上液面才能看作平面)，所以基準液面的確定可能產生誤差。,.,1.2Wilhelmy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式天平上,測定當片的底邊平行面剛好接觸液面時的壓力,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。,.,1.2.2方法特點它具有完全平衡的特點。這是常用的實驗方法之一,且簡單,操作方便,不需要密度數據,直觀可靠,不僅可用于測定氣-液表面張力,也可用于測定液-液界面張力。精確度可達到0.11mNm-1。但存在的缺點是:(1)要求是液體必須很好地濕潤薄片,保持接觸角為零;(2)需要標準物質校正浮力;(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)清潔程序復雜;(6)測定時穩定慢,不適合及時測量。,.,1.3懸滴法1.3.1測定原理懸滴法是根據在水平面上自然形成的液滴形狀計算表面張力。在一定平面上,液滴形狀與液體表面張力和密度有直接關系。由Laplace公式,描述在任意的一點P曲面內外壓差為式中R1,R2為液滴的主曲率半徑;z為以液滴頂點O為原點,液滴表面上P的垂直坐標;P0為頂點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O處的曲率半徑。若相對應與懸滴的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的函數的1/H值。因為可采用定期攝影或測量ds/de數值隨時間的變化,懸滴法可方便地用于測定表(界)面張力。,.,1.3.2優點除了它對樣品的濕潤性無嚴格要求,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,還可測定液體的動態表面張力)的特點。這是一種液體用量少而且應用廣泛的方法,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(1)設備復雜,操作麻煩;(2)數據處理也復雜;(3)待測物質的性質需要事先準確知道。,.,1.4滴體積法1.4.1測定原理當一滴液體從毛細管滴頭滴下時,液滴的重力與液滴的表面張力以及滴頭的大小有關。表示液滴重力(mg)的簡單關系式:mg=2r實驗結果表明,實際體積小得多。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為液滴的質量,V為液滴體積,f為校正因子。只要測出數滴液體的體積,就可計算出該液體的表面張力。,.,1.4.2方法特點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。但存在的缺點是:(1)至今只能算是一種經驗方法;(2)不能用來測定達到平衡較慢的表面張力,同時該法也不能達到完全的平衡;(3)存在準確測定液體體積和很好地控制液滴滴落速度等問題。,.,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,插入一個半徑為r的毛細管,深度為t,經毛細管吹入一極小的氣泡,其半徑恰好與毛細管半徑相等。此刻,氣泡內壓力最大。根據拉普拉斯公式,氣泡最大壓力為,.,1.5.2優點此種方法設備簡單,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。可以測量靜態和動態的表面張力,測量的有效時間范圍大,溫度范圍寬。1.5.3缺點(1)氣泡不斷生成可能會擾動液面平衡,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;(3)毛細管的半徑不易準確測定;(4)此法中,最大壓差為大氣壓與系統壓力的差值,因此,當室內氣流流動時,會造成大氣壓的變化,使實驗測得的數據產生一定誤差;(5)為了消除溶液靜壓對測定結果的影響,測定時要求測量的毛細管插入液體中的深度為0,但要調整毛細管尖端與被測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測定原理差分最大氣泡壓力法原理是:兩個同質異徑的毛細管插入被測液體中,氣泡從毛細管中通過后到達液體中,測量兩個毛細管中氣泡的最大壓力p1和p2,表面張力是壓差的函數,計算公式為式中p為兩毛細管的壓差,t為兩管插入液面的高度差。,