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表面和界面张力测试方法

2015-9-22 12:20:11 人评论 次浏览 分类:表面张力

/界面张力是液体重要的物理性质参数,是影响各种化学反应和生物反应的关键因素之一,也是化学工程计算中必不可少的基础物性参数。精确可靠的表/界面张力数据只能通过不同的测试方法得到。表/界面张力的测试方法分静态法和动态法。静态法主要包括毛细管升高法(Capillary-Rise Method)、最大气泡压力法(Maximum Bubble Pressure Method)、挂环法(Du Nouy Ring Method)、吊片法(Wilhelmy Plate Method)、滴重法(Drop Weight Method)和滴体积法(Drop Volume Method)等,用于测定平衡时的表面张力;动态法主要包括悬滴法(Pendant Drop Method)、旋转滴法(Spinning Drop Method)和振荡射流法(Oscillation Jet Method)等,用于测定时间极短的液体表面张力的变化。且上述测试方法中,挂环法、吊片法、悬滴法、旋转滴法、滴体积法均可用于测定静/动态表面张力和液—液界面张力;毛细管升高法则不能用于测定动态表面张力和液—液界面张力;最大气泡压力法不能用于测定液—液界面张力,可用于测定动态表面张力。测试精度要求较高时可采用毛细管升高法、最大气泡压力法、挂环法;否则可选择吊片法、悬滴法或旋转滴法。当温度和压力比较高的时候可采用毛细管升高法、最大气泡压力法、滴体积法、悬滴法、旋转滴法或振荡射流法进行测定。

  • 毛细管升高法:也叫毛细管上升法。将一支毛细管插入液体中,液体会沿毛细管上升,直到毛细管内外液体达到平衡状态为止。如图所示,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。通过测量液面升高的高度,及已知内壁为完全润湿的毛细管内径,就可根据下式计算出液体表面张力:
γ=[(ρ1gg·h·r×cosθ]/2

γ:液体表面张力
ρ1:测量的液体密度
ρg:气体的密度(空气和蒸气)
g:当地重力加速度
h:毛细管中液面的高度
r:毛细管内径
θ:液体与毛细管内壁间的接触角(通常默认为是0°)

  • 最大气泡压力法:在已知密度的液体中插入一个毛细管,经毛细管吹入一极小的惰性气泡(N2)。当气泡成半球形时,其半径值最小,且等于毛细管半径,在其前后的半径值都极大,直至逸出液面,如图所示。用差压计测得气泡成长过程中管内外的最大压力差,就可根据下式计算出液体表面张力:

γ=(r·ΔP)/2

γ:液体表面张力
r:毛细管内径
ΔP:毛细管内外的最大压力差

  • 挂环法:也叫吊环法或铂金环法。用圆环(常用细铂丝圈成)插入液体中,与液面接触后再缓缓上拉出一个液体膜(类似肥皂泡),如图所示,测量提高圆环拉断液体膜时所需要施加的力,就可根据下式计算出液体表面张力:

γ=f/[π·R+π·(R+r)]

γ:液体表面张力
f:总拉力与圆环重力的差
R:圆环内径
r:铂丝直径

  • 吊片法:也叫吊板法或铂金板法。用表面光滑、均匀的盖玻片、云母片、滤纸或铂片等挂在天平上,然后垂直插入液体中,如图所示,测量片的底边刚好与液面接触时所需要施加的力,就可根据下式计算出液体表面张力:

γ=(F-G)/(2·L·cosθ)

γ:液体表面张力
F:片与液面拉脱时的最大力
G:片的重力
L:片的宽度
θ:片与液体的接触角(通常默认为是0°)

  • 悬滴法:将液滴从毛细管内挤出悬挂于管口处,如图所示,通过对液滴外形尺寸的测定推算出液体的表面张力;或将液滴悬挂在另一不相溶溶液中,推算出两种液体的界面张力。其计算公式如下:

γ=Δρ·g·De2

γ:液体表面张力
Δρ:液滴相与外相的密度差(液体表面张力可取Δρ≈液相密度ρL)
g:重力加速度
De:液滴最大直径
H:形状修正系数,即液滴的拉长度/H

  • 滴重法和滴体积法:测量的值是一定重量或体积的液体分成的液滴数量。是悬滴法的一种极端情况:如图所示,悬滴的体积增大到无法再由表面张力来支撑,就会导致表面撕裂而掉下。但掉下的并不是整个液滴的体积,有部分剩留在毛细管端口上,导致所得液滴的实际重量要比计算值小得多,因此需要加入校正因子,实验测得液滴平衡时的重量或体积,就可根据下式计算出液体表面张力:

γ=(f·m·g)/r=(f·V·Δρ·g)/r

γ:液体表面张力
f:校正因子,是V/r3的函数,可查表得到
m:平衡时的液滴重量
g:重力加速度
r:液体润湿毛细管时为外半径,若不润湿时为内半径
V:液滴的体积
Δρ:液体与介质的密度差(介质通常为空气)

  • 旋转滴法:主要用于液—液界面张力的测量,尤其适应于超低界面张力(0.1mN/m以下)的测定。如图所示,在样品管中装入高密度液体和低密度液体,以管中心为转轴自旋,在离心力、重力及界面张力作用下,低密度相在高密度相中形成长球形或圆柱形液滴,其形状由转速和界面张力决定。通过测定低密度相体积、样品管转速和两相密度差,就可根据下式计算出液体界面张力:

γ=π-0.5·Δρ·ω2·V0.5·L-0.5÷4

γ:液体表面张力
Δρ:高密度相与低密度相密度差
ω:旋转角速度
V:低密度相的体积
L:低密度相的长度

  • 荡射流法:该方法可测定动态表面张力的时间范围低达1ms左右。液流在一定压力下从椭圆形毛细管口中射出,由于液体表面张力力图使液流由椭圆形变为圆形,以及与射流惯性力的双重作用下,使射流的形状有周期性的改变,形成一连串的振动波形。测定射流的流量、平均半径、密度及液柱波长,就可在射流破裂为小液滴之前根据下式计算出液体表面张力:

γ=[2W2(1+1.542b2/r2)]/[r·ρ(3λ+5π2r2)]
r=(rm+ri)[1-(1/6)(b/r)2]/2
(b/r)=(rm-ri)/(rm+ri)

γ:液体表面张力
W:射流流量
b:振动波幅
r:射流平均半径
ρ:射流液体密度
λ:液柱波长
rm:液柱最大半径
ri:液柱最小半径


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