文档介绍：液体表面张力的测试方法
纺织化学与染整工程
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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。
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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 Noüy 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。
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1 典型的静力学法
毛细管上升法
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γ=1 /2(ρl-ρg)ghrcosθ(1)
(1)式中γ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,ρl为测量液体的密度,ρg为气体的密度( 空气和蒸气) , g为当地的重力加速度, θ为液体与管壁的接触角。若毛细管管径很小, 而且θ=0 时, 则上式(1)可简化为γ=1/2ρghr (2)
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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℃, MPa
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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。
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Wilhelmy 盘法
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=2γlcosφ
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, φ为薄片与液体的接触角。
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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。 mN·m-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。
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