DD153229A1 - Verfahren zur bestimmung von grenzflaechenspannungen und grenzflaechenspannungsaenderungen - Google Patents

Abstract

Das angegebene Messprinzip gestattet eine einfache, empfindliche und beruehrungsfreie Bestimmung von Grenzflaechenspannungen und deren zeitlichen Aenderungen zwischen fluiden Phasen. Als Messanordnung dient eine spezielle Kuevette, in der ein Fluessigkeitsfilm zwischen zwei anderen fluiden Phasen so ausgebildet wird, dass er in der Mitte eine kreisfoermige Oeffnung besitzt. Der Radius dieser Oeffnung wird gemessen und daraus die unbekannte Grenzflaechenspannung bzw. deren Aenderung bestimmt. Die Erfindung laesst sich in der physikalischen und technischen Chemie, insbesondere bei der Messung von fluiden Stoffen mit kleinen Grenzflaechenspannungen anwenden.

Description

Bestimmung von Grenzflächenspannungen und Grenzflächenspannungsänderungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung "betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Grenzflächenspannung und -Spannungsänderungen zwischen Flüssigkeiten und zwischen flüssigen und gasförmigen Phasen sowie eine entsprechende Meßanordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Zur Bestimmung von Grenzflächenspannungen sind zahlreiche Methoden bekannt, die meistens auf einer Kraftmessung beruhen· Ein Nachteil dieser Methoden ist, daß die flüssigen Phasen mit Ringen, Platten oder Meßbügeln in Berührung gebracht werden müssen 1 bis 5)· Die dabei mit der Festkörperoberfläche gebildete Dreiphasenlinie unterliegt, infolge- von Benetzungshysteresen und Randwinkelproblemen Störungen, die zu einer Verfläschung der Messungen führen können· Andere Verfahren wie die Kapillarwellenmethode, die Tropfenforsmethode oder die optische Messung der Meniskuskurvatur erfordern komplizierte experimentelle Anordnungen und bzw· oder eine aufwendige Auewertung (6 bis 10).

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist, ein meßtechnisch einfaches, empfindliches und berührungsfreies Verfahren sowie eine entsprechende Meßanordnung zur Bestimmung von Grensiflächenspannungen.und zeitlichen Grenzflächenspannungsänderungen zwischen fluiden Phasen anzugeben« ,

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Grenzflächenspannung und deren zeitliche Änderung zwischen fluiden Phasen durch die Ausbildung einer Preiphasenlinie,,die jnichtj mit,einer Pestkörperoberfläche in Berührung ist, zu messen·

Merkmale der

Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß in einer Küvette eine Flüssigkeit als dicker Film zwischen zwei anderen untereinander und mit dieser nicht oder nur partiell mischbaren Flüssigkeiten oder zwischen einer solchen Flüssigkeit und einem Gas so ausgebildet wird, daß in der Mitte des Filmes eine kreisförmige, von einer Dreiphasenlinie umschlossene öffnung entsteht, deren Radius durch einen über .der Küvette angebrachten Maßstab oder durch eine optische Projektion der Öffnung gemessen wird. Bei Kenntnis von zwei der drei am Dreiphasenkontakt wirkenden Grenzflächenspannungen wird mittels dieses Radius die unbekannte dritte berechnet« Das Volumen der Flüssigkeit, die den Film bildet, wird genau bestimmt· Die Filmflüssigkeit wird mittels einer Dosiervorrichtung vom Rand der Küvette her so eingebracht, daß definierte Filmdicken zwischen den beiden anderen fluiden Phasen eingestellt werden können«

Es wird eine Küvette verwendet, deren Grundfläche bekannt und sehr groß gegenüber der Kreisöffnung im Film ist« Die Seitenwände der Küvette werden innen so beschichtet, z« B. hydrophobiert, daß der zwischen den beiden fluiden Phasen befindliche Film an der Küvette keinen Meniskus bildet. Für solche Flüssigkeiten, für die das nicht erreichbar ist, besteht eine andere Möglichkeit darin,, daß eine so große Küvette ver» wendet wird, daß das Flüssigkeitsvolumen innerhalb des Menis-

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kua an der Küvettenwand vernachlässigbar klein gegenüber dem Gesamtvolumen des Filmes ist. Eine weitere Möglichkeit ist, die.Meniskttsbijdung an der Küvette in Kauf zu nehmen, das Volumen im Meniskusbereich zu berechnen und damit dasFilmvolumen zu korrigieren»

Eine weitere Möglichkeit, die Meniskusbildung an der Küvettenwand zu vermeiden und eine definierte Schichtdicke einzustellen besteht in der Anbringung von in der Höhe einstellbaren Blenden an der Küvettenwandung. Die ebene Angrenzung des Filmes an diese -Blenden kann optisch kontrolliert werden· Die erfindungsgemäße Meßanordnung besitzt den besonderen Vorteil, daß äußerst geringe und zeitlich rasch ablaufende Grenzflächenspannungsäiiderungen bestimmt werden können und daß sehr kleine Grenzflächenspannungen meßbar sind· Außerdem ist es wegen der geschlossenenMeßküvette möglich, die Messungen für rasch verdunstende, giftige und aggressive Substanzen schnell, gefahrlos und ohne hohen Aufwand durchzuführen.

Ausführungsbeispiel

In der Pig. ist die Meßküvette mit den drei flüssigen Phasen dargestellt. Phase 2 ist der Flüssigkeitsfilm mit dem Volumen V. Dieser Flüssigkeitsfilm ist so ausgebildet, daß er in der Mitte eine Kreisöffnung mit dem Radius r besitzt. Phase 3 ist Luft. Das Problem besteht darin, den Radius r zu messen und damit die unbekannte Grenzflächenspannung zu berechnen bzw. bei der Bestimmung von Grenzflächenspannungsänderungen die zeitliche Veränderung van r zu verfolgen und daraus die Grenzflächenspannungsänderung zu ermitteln.

Die Grundfläche der Küvette 4 ist kreisförmig und hat den inneren Radius R.

Zuerst wird die untere und schwerere Flüssigkeit (Phase 1) durch die Zuführung 5 in die Küvette 4 eingefüllt, und zwar bis an die in mittlerer Höhe der Küvette 4 befindliche Zuführung 6 für die Phase 2 heran. Anschließend wird die flüssige Phase 2 vorsichtig durch die Zuleitung 6 aufgegeben, so daß sie sich an der Küvettenwand entlang über Phase 1 zu einem Ring vereinigt.

Die weitere Zugabe von Phase 2 erfolgt solange, bis die untere Flüssigkeit (Phase 1} vom Küvettenrand her soweit ringartig überschiclitet ist, daß in der Mitte nur noch eine kreisförmige Öffnung 12 von einigen Millimetern Durchmesser erhalten bleibt. Die in der Küvette befindliche Luft kann durch die Zuführung 7 -entweichen·

Die DichteJ⁷- der schwereren flüssigen Phase 1 und die Dichtef des leichteren Flüssigkeitsfilms 2 werden vor dem Einbringen in die Küvette 4 genau bestimmt·'Das Volumen V der Phase 2, das sich als Film in der Küvette 4 befindet, wird beim Einbringen mit Hilfe der empfindlichen Dosiervorrichtung 8 ermittelt. Häch dem Einbringen des flüssigen Films wird die Zuführung 6 mittels des Ventilhahnes 10 geschlossen, damit kein zusätzlicher hydrostatischer Druck von außen auf den Film 12 wirkt. Die Hähne 9 und 11 der Zuführungen 5 und 7 werden ebenfalls geschlossen.

Der Radius r der Kreisöffnung im Film 12 wird auf einer über der Küvette 4 angebrachten Meßskala 15 abgelesen oder aus einer optischen Projektion der Öffnung auf einen Bildschirm bestimmt.

Mit hinreichender Genauigkeit läßt sich folgender funktioneller Zusammenhang zwischen den drei Grenzflächenspannungen und dem Radius r der Kreisöffnung im Film angeben:

,T²CH² -r₀ ²)²

Für eine Küvette mit rechteckiger Grundfläche mit den Seitenlängen a und h ist diese Beziehung so zu ändern, daß im Kenner des Bruches If (R - r_o ) durch (ab' -/Tr ) ersetzt wird. Es sind alle Großen auf der rechten Seite der angegebenen Formel bekannt* Sie links Seite enthält lediglich die drei Grenzflächenspannungen zwischen den drei verschiedenen Phasen. Sind zwei davon bekannt, z. B. die Grenzflächenspannung (^? 3 ^^er Grenzfläche 14 zwischen Flüssigkeit 2 und Luft 3 und die Grenz-

flächenspannung O₁ ^ der Grenzfläche 12 zwischen Flüssigkeit 1 und luft 3, so läßt sich die dritte Grenzflächenspannung, in diesem Fall 6.. „ der Grenzfläche 13»zwischen den. beiden Flüssigkeiten 1 und 2 anhand der Formel berechnet·

Claims (3)

1. 251/3922/111

   Erfindungsanspruch

   1. Verfahren zur empfindlichen und berührungslosen Bestimmung von Grenzflächenspannungen

   V )

   rungen zwischen Flüssigkeiten oder zwischen Flüssigkeiten und Gasen_s gekennzeichnet dadurch, daß zwischen zwei fluiden Phasen eine dritte fluide Phase als Film so ausgebildet ist, daß in diesem Film eine von einer rein fluiden Dreiphasenlinie begrenzte Kreisöffnung aufrechterhalten wird, deren Durchmesser oder dessen Änderung gemessen und aus. diesem sowie aus dem Filmvolumen oder der Filmdicke und den Grenzflächenspannungen zwischen zwei der drei beteiligten fluiden Phasen die unbekannte Grenzflächenspannung der dritten Phase bzw, deren Änderung berechnet wird»

   2c Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die fluiden Phasen einem definierten Druck ausgesetzt werden·

   3· Meßanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß eine vorzugsweise runde und temperierbare Küvette (4) verwendet wird, wobei zur Bestimmung des Filmvolumens eine Dosiervorrichtung (8) benutzt und der Radius der Kreisöffnung im Film (12) mit Hilfe optischer Verfahren gemessen wird-,
2. 4. Meßanordnung nach Punkt 3» gekennzeichnet dadurch, daß die Innenwandung der Küvette (4) so beschichtet ist, daß der Film (2) meniskusfrei an die Küvettenwand angrenzt.
3. 5. Meßanordnung nach Punkt 3, gekennzeichnet dadurch, daß an der Inriehwändung der Küvette (4) feste oder verstellbare Blenden angebracht sind, an denen:der Film (2) meniskusfrei

   ' und mit definierter Dicke angrenzt.

   Hierzu /I Seite Zeichnung.