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界面张力仪
阅读:2303时间:2011-03-16 21:13:51

  界面张力仪,是一种测量界面张力或表面张力大小的仪器,主要由扭力丝、铂金环、支架、杠杆架、蜗轮付等组成。界面张力仪分为白金环法界面张力仪、白金板法界面张力仪、最大气泡法界面张力仪等。

概述

  界面是指两相接触的约几个分子厚度的过渡区,如其中一相为气体,这种界面通常称作为表面。 严格说表面应是液体和固体与其饱和蒸汽之间的界面,但习惯上把液体或固体与空气的界面称为液体或固体的表面。常见的界面有:气—液界面,气—固界面,液—液界面,液—固界面,固—固界面。 与表面张力不同,处在界面层的分子,一方面受到体相内相同物质分子的作用,另一方面受到性质不同的另一相中物质分子的作用,其作用力未必能相互抵消。因此界面张力通常要比表面张力小得多。

  界面张力仪一般测试的是液—液的界面张力或液—气的表面张力。

结构

  界面张力仪的结构,主要由扭力丝、铂金环、支架、杠杆架、蜗轮付等组成。使用时通过蜗轮付的旋转对扭力丝施加扭力,并使该扭力与液体表面接触的铂金环对液体的表面张力相平衡,当扭力继续增加,液面被拉破时,扭力丝扭转的角度,用刻度盘上的游标指示出来,此值就是M值,用mN/m表示。最后用M值乘以校正因子F,即得液体实际表面张力值δ。

分类

  1.白金环法界面张力仪

  又称du Nouy Ring method,du Nouy环法,吊环法界面张力仪,脱环法界面张力仪。其原理为白金环法的测量方法为:(1)将白金环轻轻地浸入液体内;(2)将白金环慢慢地往上提升,即液面相对而言下降,使得白金环下面形成一个液柱,并最终与白金环分离。白金环法界面张力仪就是去感测一个最高值,而这个最高值形成于白金环与液体样品将离而未离时。这个最高值转化为表面张力值的精度取决于液体的粘度。由于这个方法很早被使用,故而原有界面张力仪基本均采用这种方法,现有很多数据也是用这种方法测得。

界面张力仪

  2.白金板法界面张力仪

  又称Wilhelmy板法界面张力仪或Wilhelmy Plate method 界面张力仪。但提醒您注意的是,白金板法表面张力仪与有些客户所称吊板法表面张力仪有明显区别。吊板法的基本原理仍然是白金环法的原理而不是白金板法的原理。上海梭伦最新研制的A20系列界面张力仪具有经典白金板法和改进的白金板法两种测值方法,其中经典白金板法即指吊板法或吊片法。

  白金板法界面张力仪的原理为:当感测白金板浸入到被测液体后,白金板周围就会受到表面张力的作用,液体的表面张力会将白金板尽量地往下拉。当液体表面张力及其他相关的力与平衡力达到均衡时,感测白金板就会停止向液体内部浸入。这时候,仪器的平衡感应器就会测量浸入深度,并将它转化为液体的表面张力值。

界面张力仪

  3.最大气泡法界面张力仪

  又称泡压法界面张力仪,BPA 界面张力仪。其基本原理为A为界面张力仪,其中间玻璃管F下端一段直径为0.2mm~0.5mm的毛细管,B为充满水的抽气瓶,C为U型压力计,内盛比重较小的水或酒精、甲苯等,作为工作介质,以测定微压差。将待测表面张力的液体装于界面张力仪中,使F管的端面与液面相切,液面即沿毛细管上升,打开抽气瓶的活塞缓缓抽气,毛细管内液面上受到一个比A瓶中液面上大的压力,当此压力差—附加压力(Δp=p大气—p系统)在毛细管端面上产生的作用力稍大于毛细管口液体的表面张力时,气泡就从毛细管口脱出,此附加压力与表面张力成正比,与气泡的曲率半径成反比,其关系式为:界面张力仪公式 (7) 式中,Δp为附加压力;σ为表面张力;R为气泡的曲率半径。如果毛细管半径很小,则形成的气泡基本上是球形的。当气泡开始形成时,表面几乎是平的,这时曲率半径最大;随着气泡的形成,曲率半径逐渐变小,直到形成半球形,这时曲率半径R和毛细管半径r相等,曲率半径达最小值,根据上式这时附加压力达最大值。气泡进一步长大,R变大,附加压力则变小,直到气泡逸出。根据上式,R=r时的最大附加压力为: 界面张力仪公式(8) 实际测量时,使毛细管端刚与液面接触,则可忽略气泡鼓泡所需克服的静压力,这样就可直接用上式进行计算。当用密度为ρ的液体作压力计介质时,测得与Δp最大相适应的最大压力差为Δh最大则: 界面张力仪公式(9) 当将界面张力仪公式合并为常数K时,则上式变为: 界面张力仪公式(10) 式中的仪器常数K可用已知表面张力的标准物质测得。

用途

  界面张力仪是一种用物理方法代替化学方法的简单易行的测试仪器,用界面张力仪可以迅速、准确地测出各种液体的表面张力值。在水电部门用来测试电业用油的表面张力值以加强对绝缘油油质的监督;在石油化工、科研和教育部门该仪器也得到了广泛的应用。

使用

  1.表面张力的测量

  将铂金环插在吊杆臂上,把被测溶液倒在玻璃杯中约20—25mm,将此玻璃杯放在样品座的中间位置上,旋转螺母B,铂金环便与座一起上升到溶液的表面位置上,且使臂上的指针与反射镜上的红线重合,旋转蜗轮把手M来增加钢丝的扭力,当液体的表面被铂金环拉得很紧时,指针L始终保持与红线相重合,这两个作用将被继续着,直到薄膜破裂时,刻度盘上的读数指出了液体的表面张力值。

  2.界面表面张力的测量

  对于测量水与密度小于水的液体间的界面张力时,铂金环向上动,而测量水与密度大于水的液体间的界面张力时环则向下动。

  a.测量水与密度小于水的液体之间的界面张力时,先把样品座升高到铂金环浸入水中约5—7mm处,把被测液体小心地加在水的表面上5—10mm的厚度,旋转螺母B,玻璃杯将被调到铂金环处于两种液体的界面处,此后便按照表面张力的测量方法进行。

  b.测量水与密度大于水的液体间的界面张力时,铂金环要求作用力向下,把密度大于水的液体放在杯子中使其达到10mm或更深,在这种液体上放进约5mm深的水,把溶液上升直到环浸入水中,使环处在液体的界面上时,指针L保持与红线重合,钢丝的扭力将被增加,铂金环将被向下拉,这时把样品座升高,使得指针L继续与红线重合,当这两种液体之间的薄膜破裂时,刻度盘上的读数便是界面张力M。

界面张力仪

  3.对决定实际表面张力的校正

  表面张力是液体为一个紧张的薄膜时的表面效应,表面张力与表面是相切的,用圆环法测量表面张力时需要考虑到以下两种情况。

  a.在测量过程中,环被向上拉起使液体表面变形,随着环向上移动的距离增加,液体的变形也增加,所以由中心到破裂点的半径小于环的平均半径,这种影响由环的半径和铂金丝的半径的比给出。

  b.少量的液体沾附在环下部,这种影响可用一种函数形式表示,从以上两种影响来看,实际的表面张力δ就应由测得表面张力值M乘一个系数F,即:δ=M×F 式中:M—膜破裂时刻度盘读数,mN/m;F—系数;F=0.7250+[(0.03678M)/rr2(P0-P1)]+P,式中:P=0.04534-(1.679rw)/rr。

  P0:下相在25℃时的密度,g/ml,

  P1:上相在25℃时的密度,g/ml,

  rw:铂丝的半径0.3mm,

  rr:铂丝环的平均半径9.55mm 。

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