CN104132870A - 表面张力和表面面积粘性测定装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种表面张力和表面面积粘性测定装置，在从气瓶通入气体之前，敞口容器上升，毛细管蘸取适量被测液体试样之后，敞口容器下降，然后从气瓶向毛细管内通入气体，即可形成气泡；还设置有照相机或摄像机，用于记录气泡的形成过程和形状图像，用来测量气泡的半径；测试箱体外侧设置有差压表，与通入毛细管的气体是连通的，可读出气泡的内外压力差，由拉普拉斯公式推导出表面张力的计算公式，使表面张力的计算大大简化，通过测量非平衡时和平衡时的表面张力，并记录时间，根据图像测量计算表面积，代入公式即可算出表面面积粘性。本发明装置试样用量少，对试样润湿性无要求，测量速度较快，准确度高，设备利用率高。

Description

表面张力和表面面积粘性测定装置

技术领域

本发明涉及一种液体物化性质的装置，特别是涉及一种液体界面物理性质和物体内部物理性质的装置，应用于冶金物理化学、胶体化学、材料、医学、生物学等领域。

背景技术

表面张力为人们提供气液、液液之间相互作用的第一手信息，是液体体系的基本物化性质之一，也是冶金物理化学、胶体化学、生物学和医学等学科领域研究有关表面现象的重要参数。在医学上，是目前预防和治疗急性呼吸窘迫综合症实验研究的基本测量数据之一；表面张力与分子大小和作用力相关，是反映非均匀流体特性的重要参数，也是多相系统研究的基础和出发点；在冶金和铸造中，液态合金表面张力对其过程具有非常重要的影响。在金属的冶炼过程中，液态金属本身、熔锍、熔盐和熔渣的表面性质，以及界面性质，在许多情况下都起着重要作用等等。 

表面面积粘性同样在材料等不同领域具有广泛的应用，并且理论和实践已经证明表面面积粘弹性影响表面张力的大小，对表面张力具有重要的意义。

表面张力测定方法的研究和开发随着近代科学的发展越来越受到了人们的重视。人们为了能够准确的测定表张力的大小，提出了很多不同种类的表面张力测定方法。目前主要有毛细管上升法、Wilhelmy 盘法、Du Nouy脱环法、气泡最大压力法、滴重体积法、滴外形法、电磁悬浮法、振荡射流法、增长液滴法、旋滴法、气泡幅频当量法、表面波光栅衍射法、激光散射法等等。下面对常用的、发展相对比较成熟的前六种方法做一下简单的介绍。

1、毛细管上升法: 毛细管上升法有可能是最先提出的测量表面张力的方法，但是目前还无处考证其具体的提出时间。该方法可以测定平衡状态下的表面张力，目前还是以此法测定的表面张力数据作为标准，是经典的表面张力测定方法。

该测量方法有以下特点：需要数据的校正；测量耗时长；试样用量大。

影响该测定方法的测定精度主要有以下因素：水平基准面的精度；毛细管内径的均匀度和内径值的测定精度；测高仪的精度。

使用范围的局限性：毛细管材料必须是透明的固体材料，如玻璃等；被测液体与透明毛细管材料不发生反应；被测液体与盛放液体的容器材料不发生反应；

适用范围：常用于常温下溶液的表面张力测量。 

2、Du Nouy脱环法：在Du Nouy之前已经有人采用，Timberg在1887年和Sondhauses 在1878年使用此法,但Du Nouy第一次应用扭力天平来测定此最大拉力，形成长时间通用表面张力仪—Du Nouy天平，故此法被称为Du Nouy法。

该测量方法有以下特点：对于溶液，由于液面形成的时间受到限制，所得结果不一定是平衡值；需要数据校正；试样用量大。

影响该测定方法的测定精度主要有以下因素：实验时环的水平程度，其中环面只要倾斜1°就将引入0.5﹪的误差；试样的润湿性；容器的大小；校正系数的准确性，由于应用经验的校正系数使该方法带有经验性，故测量结果受多种不易控制的因素影响，如平衡时间、接触角等。

使用范围的局限性：Harkins和Jordan制作校正系数表时考虑的是接触角为零的情况，接触角不为零将影响所得结果的准确性；不能用于多种气氛的表面张力测定以及高压表面张力的测定；Zettle-moyer等指出，此法对表面活性剂溶液得不到准确的、可重复的结果，相对误差则可高达10﹪。

适用范围：常用于润湿性好的溶液的表面张力测量。

3、Wilhelmy 盘法：Wilhelmy 在1863年提出，他当时所做的实际上与脱环法相似，是测定从液面拉脱吊片时的最大拉力。后来Dognon 和 Arbribut将其进行了改进，不再将片拉脱液面，他们用打毛的铂片，测定当片的底边平行液面并刚好接触液面时的拉力。

该测量方法有以下特点：清洁程序复杂；试样用量大；测定时稳定慢，不适合及时测量；

影响该测定方法的测定精度主要有以下几点：器壁的大小；容器器壁对液体的润湿性；试样的润湿性；

使用范围的局限性：要求液体必须很好地湿润薄片，保持接触角为零；不适合高温高压和深颜色液体的测定；不能用于高压表面张力的测定；

适用范围：常用于润湿性好的溶液的表面张力测量。

4、气泡最大压力法：Simon 在1851年首先提出，后来由Canter、Jaeger 分别从理论和实用角度加以发展，真正达到精度可用的程度是Sugden，他应用Bashforth-Adams方程作了校正，还建议了便于测定的双管法。

该测量方法有以下特点：由于出泡速度快，不能观察熔体界面变化情况；对实验设备的依赖大，而且由于最大气泡法处理的是一种极限情况，只有在毛细管很细时才行，要求 r/a< 0. 05(r是毛细管半径, a是毛细常数)。

影响该测定方法的测定精度主要有以下因素：毛细管的半径测量的精度；控制吹入气体的速度很难，不断生成的气泡容易对生成的液滴面平衡进行干扰，改变液体表面温度，影响的测量的精度；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；插入的毛细管端面光洁程度以及和熔体的浸润性等界面效应都对测试气泡形成有很大影响，测量数据产生误差。

使用范围的局限性：被测液体与毛细管不反应; 不能用于研究达到平衡慢的表面张力。

适用范围：适用于测定纯液体或溶质分子质量较小的溶液的表面张力 ，也适用于液体金属 、熔盐 、乳液 、浆 、电解液的表面张力的测定，且能够用于众多操作条件中如：Ar、                                               、气氛下的表面张力。 

5、 滴重法（体积）法：Tate在1864年提出，经过Lohnstein特别是Harkins和Brown的细致工作，发展成为简便、准确的测定液体表面张力的方法。

该测量方法有以下特点：需要数据校正；样品用量少；耗时长。

影响该测定方法的测定精度主要有因素：至今只能算是一种经验方法，它的准确度依赖于Harkins—Brown的实验结果；液体体积测量的精确度；液滴滴落速度。

使用范围的局限性：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；不能快速测量。

适用范围：常用于常温下溶液表面张力的测定。

6、滴外形法，包括悬滴法和静滴法：

悬滴法：利用悬滴形状研究界面张力的想法在19世纪即1881年Worthington提出来了，但第一个有实用价值的是1937年Andreas提出的选面法确定悬滴外形参数的方法。该测量方法有以下特点：设备复杂，操作麻烦；待测物质的性质需要事先准确知道。影响该测定方法的测定精度主要有以下因素：悬滴的稳定性。使用范围的局限性：处理的是形状因子β为负值的体系。适用范围：常用于高温下低表面张力液体的测量。

静滴法：该测量方法有以下特点：设备复杂，操作麻烦；数据处理也复杂。影响该测定方法的测定精度主要有以下因素：基板材料的选择；在测界面张力时需用X射线透视装置，拍摄渣中金属液滴的形状，由于受限于X射线的透视能力等的影响，使拍摄到金属液滴的形状与普通光学拍摄到的照片相比显得比较模糊，从而加大了金属液滴形状的误差。适用范围的局限性：处理形状因子β为正值的界面，限制了使用范围。适用范围：常用于高温下液体表面张力的测量。

从有记载的最早测量表面张力的方法是1851年，Simon提出的最大气泡压力法，距今已经经过一百六十多年的发展，但是即使是发展相对比较成熟的上面六种方法也存在种种的局限性，所以发展新的测量方法是很有必要性的。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种表面张力和表面面积粘性测定装置，具有试样用量少，对试样润湿性无要求，测量速度较快，设计合理，使用方便，造价便宜，准确度高，并且也可以用于测量液体的表面面积粘性，提高了设备的利用率等优点。

为达到上述发明创造目的，本发明采用下述技术方案：

一种表面张力和表面面积粘性测定装置，包括毛细管，毛细管竖直插入密闭的测试箱体内，并竖直安装在测试箱体外壳上，毛细管的材质与被测液体试样不发生反应，在测试箱体内，毛细管的底端正下方设置装载被测液体试样的敞口容器，敞口容器的材质与被测液体试样不发生反应，敞口容器安装在载物台上，控制载物台进行上下升降，使毛细管的底端接触或脱离被测液体试样，使毛细管底端蘸取被测液体试样，实验气体由气瓶向毛细管内输送，由气体控制装置控制毛细管内和密闭的容器内的压力，气体控制装置由气压缓冲容器、微流量表、末端管路、压差表、控制器和相应连接管道组成，气压缓冲容器安装在毛细管和气瓶之间的连接管道上，微流量表安装在毛细管和气压缓冲容器之间的连接管道上，末端管路的两端分别与毛细管端和微流量表连通，压差表的测量管路分别与毛细管和测试箱体的内腔连通，压差表和微流量表的信号输出端分别与控制器的信号接收端连接，控制器通过控制微型泵，使气瓶内的气体向毛细管内输送，控制毛细管底端生成气泡的过程，压差表实时测量毛细管内和测试箱体的内腔之间的气压差，即实时测量毛细管底端生成气泡的内外之间的气泡的内外压差ΔP，在测试箱体外壳上设有保护气体入口和保护气体出口，使气泡内外的气体皆为与被测液体试样不反应的气体，在测试箱体外壳上设有摄影用的透光性好的窗口，在测试箱体外部设置图像采集装置，控制器控制图像采集装置，使图像采集装置以毛细管底端生成的气泡为拍摄记录目标进行气泡的形成过程和形状的图像采集，进而对气泡的半径进行实时测量。

作为本发明优选的技术方案，图像采集装置为具有高倍放大功能的照相机或摄像机，采用至少 2倍放大倍数的标准焦距的镜头。

作为本发明进一步优选的技术方案，图像采集装置生成的像素应大于等于 640×480。

上述气泡内外是优选采用同一种气体。

上述图像采集装置优选以圆度在95﹪以上的气泡作为主要图像采集目标。

上述图像采集装置优选以厚度在100μm以下的气泡作为主要图像采集目标。

通过上述微型泵向毛细管输送的气体的流速优选控制在0.5 mL/S以下。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1. 本发明表面张力和表面面积粘性测定装置的原理由拉普拉斯公式推导出表面张力的计算公式，通过毛细管插入密闭的容器，气体由气瓶，通过微型泵，然后分别经过缓冲区和微流量计进入毛细管，可以根据要求控制调整气体的流速，并且该气体与保护气是同一种气体，这样可以消除气体对测量结果的影响；在从气瓶通入气体之前，敞口容器上升，毛细管蘸取适量被测液体之后，敞口容器下降，然后从气瓶向毛细管内通入气体，即可形成气泡；容器左侧设置有照相机或摄像机，用于记录气泡的形成过程和形状图像，然后可以用来测量气泡的半径；容器右侧设置有差压表，这样就可以直接读出气泡的内外压力差，使表面张力的计算大大简化，同时提高了实验测量数据的准确性和精确度； 

2. 本发明试样用量少，对试样润湿性无要求，测量速度较快，无需试样密度，测量精度高，无需测量毛细管半径，在密闭容器中测量结果不受周围环境的影响，有完整的理论基础，实现了气体的控制和压力的测量一体化，其设计合理，使用方便，装置简单，造价便宜，可以用来测量表面张力和表面面积粘性，提高了设备的利用率；

3. 本发明可用于常温和高温，常压和高压下表面张力的测量，适用范围较宽。

附图说明

图1是利用本发明实施例一装置测定液体表面张力和表面面积粘性原理图。

图2是本发明实施例一表面张力和表面面积粘性测定装置的结构示意图。

图3是利用本发明实施例一装置测量质量百分数为0.10﹪的SDS水溶液过程中气泡的形状变化图像。

图4是利用本发明实施例一装置测量SDS水溶液的测量结果。

具体实施方式

本发明的优选实施例详述如下：

实施例一：

参见图1～图4，一种表面张力和表面面积粘性测定装置，包括毛细管5，毛细管5竖直插入密闭的测试箱体内，并竖直安装在测试箱体外壳上，毛细管5的材质与被测液体试样10不发生反应，在测试箱体内，毛细管5的底端正下方设置装载被测液体试样10的敞口容器9，敞口容器9的材质与被测液体试样10不发生反应，敞口容器9安装在载物台上，控制载物台进行上下升降，使毛细管5的底端接触或脱离被测液体试样10，使毛细管5底端蘸取被测液体试样10，实验气体由气瓶1向毛细管5内输送，由气体控制装置控制毛细管5内和密闭的容器内的压力，气体控制装置由气压缓冲容器2、微流量表3、末端管路4、压差表12、控制器和相应连接管道组成，气压缓冲容器2安装在毛细管5和气瓶1之间的连接管道上，微流量表3安装在毛细管5和气压缓冲容器2之间的连接管道上，末端管路4的两端分别与毛细管5端和微流量表3连通，压差表12的测量管路分别与毛细管5和测试箱体的内腔连通，压差表12和微流量表3的信号输出端分别与控制器的信号接收端连接，控制器通过控制微型泵，使气瓶1内的气体向毛细管5内输送，控制毛细管5底端生成气泡8的过程，压差表12实时测量毛细管5内和测试箱体的内腔之间的气压差，即实时测量毛细管5底端生成气泡8的内压c和外压a之间的气泡8的内外压差ΔP，在测试箱体外壳上设有保护气体入口6和保护气体出口11，使气泡8内外的气体皆为与被测液体试样10不反应的气体，在测试箱体外壳上设有摄影用的透光性好的窗口，其材质要求透光性好，在测试箱体外部设置图像采集装置7，控制器控制图像采集装置7，使图像采集装置7以毛细管5底端生成的气泡8为拍摄记录目标进行气泡8的形成过程和形状的图像采集，进而对气泡8的半径R进行实时测量。

在本实施例中，由图1～图4所示，根据拉普拉斯方程可以推出表面张力的计算公式：

其中 γ：表面张力，单位为mN/m；R：气泡半径，单位为mm；ΔP：内压c和外压a的差压，单位为Pa。只需测定出R和ΔP即可求出表面张力b。

参见图1～图4，利用本实施例装置测定液体表面张力，的具体操作步骤如下：

(1) 待测试样的配制：超纯水和市售纯度99﹪的十二烷基硫酸钠配制成质量浓度(mass﹪)分别为：0.04、0.06、0.08、010的溶液，简称SDS溶液，作为被测液体试样10；

(2) 测试温度在25±0.5°C； 

(3) 打开照相机；

(4) 从测试箱体内的保护气体入口6处通入空气；

(5) 敞口容器9上升，使毛细管5蘸取被测液体试样10之后，然后控制载物台使敞口容器9下降；

(6) 从气瓶1通入空气，调节通入气体的速率，使气体流速维持在0.1mL/s的速率；

(7) 通过照相机记录气泡8从生成到破裂整个变化过程，然后根据照相机记录的气泡8图像可测出气泡8的半径R；可由测试箱体外部设置的差压表12读出气泡8的内压和外压差ΔP；

(8) 数据代入表面张力计算公式即可求出表面张力；

(9) 重复试验十次，求平均值；

 (10) 实验结果如图4；

 (11) 整理实验装置。

在本实施例中，由图1～图4所示，本实施例装置利用真球气泡内外的差压测定液体表面张力，其原理由拉普拉斯公式推导出表面张力的计算公式，本实施例装置的毛细管5插入密闭的测试箱体内，气体由气瓶1，通过微型泵，然后分别经过气压缓冲容器2的缓冲区和微流量表3进入毛细管5，可以根据要求控制调整气体的流速，并且该气体与保护气是同一种气体，这样可以消除气体对测量结果的影响，同时要求该气体与被测液体试样10不发生反应；测试箱体内在毛细管5的正下方设置一载物台，可以上下升降，其上方放置敞口容器9，用于盛放被测液体试样10。在从气瓶1通入气体之前，敞口容器9上升，毛细管5蘸取适量被测液体试样10之后，敞口容器9下降，然后从气瓶1向毛细管5内通入气体，即可形成气泡8；测试箱体外侧设置有照相机，用于记录气泡8的形成过程和形状图像，然后可以用来测量气泡8的半径R；测试箱体外侧设置有差压表12，其中差压表12和通入毛细管5的气体是连通的，这样就可以直接读出气泡8的内外压力差ΔP，使表面张力的计算大大简化，同时提高了实验测量数据的准确性和精确度。本实施例装置具有试样用量少，对试样润湿性无要求，测量速度较快，设计合理，使用方便，造价便宜，准确度高，并且也可以用于测量液体的表面张力，提高了设备的利用率等优点。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

参见图1～图4，本实施例装置利用真球气泡内外的差压测定液体表面面积粘性，其测试箱体外侧还设置有摄像机，控制器控制摄像机，使摄像机以毛细管5底端生成的气泡8为拍摄记录目标，进行气泡8的形成过程和形状的图像采集，进而对气泡8的半径R进行实时测量。这样就可以直接读出气泡8的内外压力差，使表面张力的计算大大简化，同时提高了实验测量数据的准确性和精确度。

在本实施例中，参见图1～图4，利用本实施例装置测定表面面积粘度计算公式：

其中 γ_dyn：非平衡时的表面张力，单位为mN/m；γ_eq：平衡时的表面张力，单位为mN/m；：表面面积粘性，单位为Pa· s· m；A：表面积，单位为mm²；t：时间，单位为s。只需测定出γ_dyn、γ_eq、 A、t即可求出表面面积粘性。

参照图2，表面面积粘性的测定的具体实施步骤如下：

 (1) 参照上面测定液体表面张力步骤测量气泡膨胀过程中非平衡状态下的表面张力γ_dyn；

(2) 参照上面测定液体表面张力步骤测量气泡在平衡状态下表面张力γ_eq；

 (3) 实验时记录气泡8膨胀过程中表面积变化时间t；

(4) 通过摄像机记录的图像可求出气泡8的表面积A；

 (5) 代入表面面积粘性计算公式即可求出表面面积粘性；

 (6) 重复实验，求平均值；

(7) 处理实验数据；

 (8) 整理实验装置。

在本实施例中，参见图1～图4，本实施例装置具有试样用量少，对试样润湿性无要求，测量速度较快，设计合理，使用方便，造价便宜，准确度高，并且也可以用于测量液体的表面面积粘性，提高了设备的利用率等优点。

上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明表面张力和表面面积粘性测定装置的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。 

Claims (7)

1.一种表面张力和表面面积粘性测定装置，包括毛细管（5），所述毛细管（5）竖直插入密闭的测试箱体内，并竖直安装在所述测试箱体外壳上，所述毛细管（5）的材质与被测液体试样（10）不发生反应，其特征在于：在所述测试箱体内，所述毛细管（5）的底端正下方设置装载被测液体试样（10）的敞口容器（9），所述敞口容器（9）的材质与被测液体试样（10）不发生反应，所述敞口容器（9）安装在载物台上，控制所述载物台进行上下升降，使所述毛细管（5）的底端接触或脱离被测液体试样（10），使所述毛细管（5）底端蘸取被测液体试样（10），实验气体由气瓶（1）向所述毛细管（5）内输送，由气体控制装置控制所述毛细管（5）内和密闭的容器内的压力，所述气体控制装置由气压缓冲容器（2）、微流量表（3）、末端管路（4）、压差表（12）、控制器和相应连接管道组成，所述气压缓冲容器（2）安装在所述毛细管（5）和所述气瓶（1）之间的连接管道上，所述微流量表（3）安装在所述毛细管（5）和所述气压缓冲容器（2）之间的连接管道上，所述末端管路（4）的两端分别与所述毛细管（5）端和所述微流量表（3）连通，压差表（12）的测量管路分别与所述毛细管（5）和所述测试箱体的内腔连通，所述压差表（12）和所述微流量表（3）的信号输出端分别与所述控制器的信号接收端连接，所述控制器通过控制微型泵，使所述气瓶（1）内的气体向所述毛细管（5）内输送，控制所述毛细管（5）底端生成气泡（8）的过程，所述压差表（12）实时测量所述毛细管（5）内和所述测试箱体的内腔之间的气压差，即实时测量所述毛细管（5）底端生成气泡（8）的内外压之间的气泡（8）的内外压差ΔP，在所述测试箱体外壳上设有保护气体入口（6）和保护气体出口（11），使气泡（8）内外的气体皆为与被测液体试样（10）不反应的气体，在所述测试箱体外壳上设有摄影用的透光性好的窗口，在所述测试箱体外部设置图像采集装置（7），所述控制器控制所述图像采集装置（7），使所述图像采集装置（7）以所述毛细管（5）底端生成的气泡（8）为拍摄记录目标进行气泡（8）的形成过程和形状的图像采集，进而对气泡（8）的半径（R）进行实时测量。

2.根据权利要求1所述表面张力和表面面积粘性测定装置，其特征在于：所述图像采集装置（7）为具有高倍放大功能的照相机或摄像机，采用至少 2倍放大倍数的标准焦距的镜头。

3.根据权利要求2所述表面张力和表面面积粘性测定装置，其特征在于：所述图像采集装置（7）生成的像素应大于等于 640×480。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述表面张力和表面面积粘性测定装置，其特征在于：气泡（8）内外是同一种气体。

5.根据权利要求1～3中任意一项所述表面张力和表面面积粘性测定装置，其特征在于：所述图像采集装置（7）以圆度在95﹪以上的气泡（8）作为主要图像采集目标。

6.根据权利要求1～3中任意一项所述表面张力和表面面积粘性测定装置，其特征在于：所述图像采集装置（7）以厚度在100 μm以下的气泡（8）作为主要图像采集目标。

7.根据权利要求1～3中任意一项所述表面张力和表面面积粘性测定装置，其特征在于：通过所述微型泵向所述毛细管（5）输送的气体的流速控制在0.5 mL/S以下。