液体表面张力测试方法.ppt

,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 mNm-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R1, R2 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; P0 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)gde2/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p1和p2, 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