Что такое измеритель поверхностного натяжения?

Что такое измеритель поверхностного натяжения?

Измеритель поверхностного натяжения — это устройство, используемое для измерения натяжения (поверхностного натяжения), которое оказывает жидкость или твердое тело, пытаясь сделать свою поверхность как можно меньше.

Например, предположим, что жидкость находится в стакане. Жидкость в чашке стабильна, потому что межмолекулярные силы между окружающими молекулами притягиваются и нейтрализуют друг друга, но жидкость на поверхности чашки и воздуха имеет слегка округлую и вздутую форму, потому что межмолекулярные силы, тянущие ее со стороны воздуха, малы.

Это поверхностное натяжение, и чем больше поверхностное натяжение жидкости, тем больше расширение. Эта сила относительно велика и является важным физическим свойством в моющих средствах и струйной печати.

Рисунок 1. Поверхностное натяжение

Применение измерителей поверхностного натяжения

Измеритель поверхностного натяжения используется при контроле качества и исследованиях и разработках моющих средств, продуктов питания, припоя и т. д. Они важны при исследовании смачивания струйных и лакокрасочных материалов и припоя, а также в областях покрытий и микрофлюидики.

Измерение и правильный контроль поверхностного натяжения могут изменить процесс вспенивания и легкость перемешивания во время производства и использования, а также наличие или отсутствие дефектов покрытия. При выборе измерителя поверхностного натяжения важно учитывать точность оценки, время измерения, тип обрабатываемой жидкости и диапазон измерения.

Принцип измерителей поверхностного натяжения

Рисунок 2. Типы измерителей поверхностного натяжения

Было разработано много методов для измерения поверхностного натяжения, включая «метод подвески», который вычисляет поверхностное натяжение из капель, «метод пластины», который измеряет силу, действующую на поверхность пластины, «метод кольца», который измеряет силу, действующую на кольцо, контактирующее с поверхностью жидкости, и «метод капилляра», который измеряет высоту жидкости, поднимающейся через капиллярную трубку.

1. Метод пластины (метод Вильгельми, метод подвески)

При измерении пластина поднимается из состояния, в котором она находится в контакте с измеряемой жидкостью. Измеряется сила, необходимая для подъема пластины, а поверхностное натяжение определяется из угла контакта между пластиной и измеряемой жидкостью отдельно и размеров пластины. Даже если угол контакта неизвестен, если пластина полностью смочена, θ равен нулю и может быть измерен.

Поскольку также возможно измерить пластину, пока она стоит неподвижно, можно измерить как динамическое, так и статическое поверхностное натяжение. С другой стороны, поскольку пластина должна быть смочена в определенной степени, обычно необходимо подготовить не менее 30 мл жидкости.

2. Метод кольца

Как и в случае с методом пластины, кольцеобразное измерительное устройство поднимается из состояния, в котором оно находится в контакте с измеряемой жидкостью, и измеряется сила, необходимая для его подъема. В отличие от метода пластины, сила контролируется в любое время, а поверхностное натяжение измеряется с использованием силы, когда кольцо и жидкость разделяются.

Невозможно измерить такие растворы, как растворы поверхностно-активных веществ, поверхностное натяжение которых изменяется со временем. Метод кольца также может измерять длину ламеллы. Ламелла представляет собой тонкую пузырьковую пленку внутри пузырька. Большая длина ламеллы означает, что пузырьки не исчезают даже при растяжении, и пузырьки остаются стабильными.

3. Метод подвешивания

Этот метод измеряет поверхностное натяжение, фиксируя измеряемую жидкость в виде капли и анализируя форму капли с помощью уравнений и других методов. Точность варьируется в зависимости от производительности камеры и используемого алгоритма.

Этот метод подходит для измерения межфазного натяжения между жидкостями, такими как высоковязкие жидкости, расплавленные полимеры, а также масло и вода, которые трудно измерить с помощью метода пластины.

4. Метод капиллярной трубки

Поверхностное натяжение рассчитывается путем измерения высоты и плотности жидкости, когда она поднимается по капиллярной трубке. Используется капиллярное явление.

5. Метод максимального давления пузырьков

Газ заливается в капилляр, вставленный в образец жидкости, для образования пузырьков. Измеряется максимальное давление, прикладываемое при образовании пузырьков (максимальное давление пузырьков), и рассчитывается поверхностное натяжение.

Время с момента образования нового пузырька на кончике до достижения максимального давления пузырька называется временем жизни пузырька, и поскольку давление уменьшается по мере адсорбции поверхностно-активного вещества в течение этого времени, динамическое поверхностное натяжение можно измерить путем тестирования при различных настройках времени жизни пузырька.

Как выбрать измеритель поверхностного натяжения

Рисунок 3. Сравнение измерителей поверхностного натяжения

Каждый измеритель поверхностного натяжения имеет свои собственные требования, сильные и слабые стороны. Выберите подходящий измеритель поверхностного натяжения, проверив физические свойства жидкости, которую вы хотите измерить, и количество жидкости, которое вы можете обеспечить.

Другая информация об измерителях поверхностного натяжения

Статическое и динамическое поверхностное натяжение
Поверхностное натяжение можно разделить на статическое и динамическое поверхностное натяжение. Динамическое поверхностное натяжение, как правило, больше и уменьшается со временем. Это происходит потому, что поверхностно-активные вещества с гидрофильными и гидрофобными группами со временем собираются на границе раздела газ-жидкость и адсорбируются на поверхности.

Поскольку гидрофобные группы собираются на поверхности воды, значение поверхностного натяжения изменяется от высокого значения для воды до значения, аналогичного значению гидрофобного масла. Концентрация при определенной силе поверхностной длины по истечении достаточного времени называется критической концентрацией мицеллообразования, и приборы, способные измерять динамическое поверхностное натяжение, также могут определить эту критическую концентрацию мицеллообразования.