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1s以上时的表面张力,称作静态表面张力;在1s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、duNoüy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）•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13.8MPa•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10cm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。•1.2Wilhelmy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=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。•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0.11mN·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。•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=β(de/b)2则得γ=(ρl-ρg)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...
