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表面张力测量方法:气泡压力法与滴体积法

来源:本站原创 浏览 359 次 发布时间:2019-07-25

什么是动态表面张力?表面活性剂在表面或界面吸附的结果就是降低表面或界面张力。表面刚开始形成时的表面或界面张力同纯液体相同,然后不断降低直到达到平衡,需要的时间取决于表面活性剂的扩散速率及吸附速率。下面一起来了解下表面张力测量方法:气泡压力法与滴体积法。


动态表面或界面张力与平衡值不同,同样动静态测量方法也不同。动态表面张力仪(例如滴体积张力仪或气泡压力张力仪)在测量中界面尺寸是变化的。尽管这样,如果这个变化是足够慢的话,平衡值也可以像时间变化值一样被测出。同样,通过界面尺寸不改变的静态方法(如Wilhelmy板法),也可以获得随时间变化的的平衡值。


在一些如喷涂,发泡,清洁,印刷,乳化或涂层过程中,界面形成非常快,在这些过程中不仅仅只有表面张力的平衡值起决定作用,界面形成的动力学部分也存在。表面活性剂中的分子移动已经成为表面或界面张力形成的重要因素。


1.气泡压力法


根据杨-拉普拉斯方程,球形气泡的内压(拉普拉斯压力)取决于曲率半径r和表面张力σ。

p=2σ/r

当在液相中的毛细管顶端产生气泡时,曲率先增加然后减小,其中会有最大压力的产生。当曲线半径同毛细管半径相等时,此时曲率最大也对应着最大的压力。

气泡压力测量的特性曲线,最大压力位置


如果毛细管半径已知,可以通过最大压力pmax计算出表面张力,当毛细管浸入到液体中时,由浸没深度和液体密度导致的静压P0必须从测量压力中除去,气泡压力测量的结果公式如下:

测量结果对应的是一定表面年龄下的表面张力,表面年龄为从气泡开始产生到最大压力之间的时间。表面张力对表面年龄的关系可以通过不同的鼓泡速度测出。

表面张力同表面年龄的关系


这种关系在表面活性剂的使用上起到重要作用,在许多过程中由于表面活性剂的低扩散率和吸附率,界面张力从没办法达到平衡值。


气泡压力测量法能够测算出如扩散系数和吸附系数这样的表面活性剂参数。


2.滴体积法


滴体积法张力仪可以测定动态界面张力。一种液体通过处在另一个液相中的垂直毛细管产生液滴,液滴体积在同毛细管顶端分离时被测量,如果测量过程发生在空气作为体相时,也可以测定动态表面张力。


在滴体积方法中,一种液相通过毛细管被引入到体相中,由于浮力作用试图向上移动的液滴在毛细管顶端形成。

滴体积法张力仪测量原理


通过倒置的装置,重相液滴从毛细管中滴落也是可行的。


由于界面张力γ的作用,液滴试图在体相中保持尽可能小的界面。当液滴从毛细管上脱落时,新的界面产生,这需要克服相应的界面张力,液滴直到举升力能够补偿毛细管润湿长度上的界面张力时才会脱落,关系式如下:g=重力加速度,V=液滴体积,d=毛细管内径,Δp=两相密度差


正常来说,该测量过程取决于给定总体积分界的液滴的数量或者收集到的液滴的总量。通常指定流速是不可能的。由于储存体积的液柱的粘度和高度影响,在测量过程中数值会发生改变。


通过DVT50可以用光栅测量在一定流速下两个脱离液滴之间的时间,这样就可以通过流速预先决定界面年龄(液滴形成到脱离的时间),因此也就可以测量界面年龄下的界面张力。

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