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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=2πrγ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:γ=mg/{2πrf(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ρ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Δp为两毛细管的压差,Δt为两管插入液面的高度差。•1.5.5.2优点•(1)通过调整毛细管的插入深度来降低测量和计算的复杂程度;•(2)现在的技术可用来测绝对表面张力也可用来测相对表面张力;•(3)通过选择合适的毛细管,大范围的气泡生成周期是可以达到的,从十分之一秒到几分钟,而且可用来测动态表面张力;•(4)此种方法比差分毛细管上升法有更好的重复性。