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1、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
2、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
3、 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=1/2
4、ghr (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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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;
11、 (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。 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。
