Способ определения поверхностного натяжения твёрдого тела Российский патент 2022 года по МПК G01N13/00 

Изобретение относится к области исследования физико-химических свойств поверхностей твёрдых тел и может найти применение в физической химии и физике твёрдого тела при решении различных фундаментальных задач, а также при решении прикладных задач во многих отраслях промышленности, например, химической, нефтехимической, лакокрасочной, фармацевтической и пищевой.

Известен способ определения межфазного натяжения на границе раздела жидкость/твёрдое тело путём погружения в измеряемую жидкость твёрдой пластины и фиксирования усилия её отрывы от поверхности жидкости взвешиванием сосуда, в котором она находится, и периметра смачивания (патент РФ № 2312324, МПК G 01 N 13/02, 10.12.2007 г.).

К недостаткам данного способа можно отнести его трудоёмкость, обусловленную следующими обстоятельствами. Во-первых, необходимостью специального изготовления из исследуемого твёрдого тела тонкой и гладкой пластины и, если она является металлической, предварительного её отжига для минимизации проявления анизотропии физико-химических свойств её поверхности. Во-вторых, необходимостью наличия дополнительных технических средств (неуказанных в описании изобретения), позволяющих проводить измерение поверхностного натяжения согласно данному способу при температуре жидкости, отличной от температуры окружающей среды.

Известен способ определения силы поверхностного натяжения твёрдых тел (в том числе на границе с жидкостью) методом нулевой ползучести путём предварительных растяжения, взвешивания и нагревания протяжённого образца, последующего соприкосновения его с опорой и завершающего фиксирования реакции опоры (авторское свидетельство СССР № 940010, МПК G 01 N 13/02, 30.06.1982 г.).

К недостаткам данного способа можно отнести его трудоёмкость, обусловленную следующими обстоятельствами. Во-первых, необходимостью специального изготовления из исследуемого твёрдого тела образца в виде тонкой проволоки или ленты с перешейком или утонением таким образом, чтобы он в подвешенном состоянии мог растягиваться в этом месте под действием собственного веса (т. е. данный способ невозможно использовать для определения поверхностного натяжения хрупких твёрдых тел, например, стекла, кварца и т. п.). Во-вторых, необходимостью нагревания образца до 0,8÷0,9 температуры его плавления с последующей выдержкой при этой температуре в течении 2÷4 часов. В-третьих, необходимостью наличия высокоточной приборной базы, например механоэлектрических микровесов, для работы с которой необходимы соответствующие навыки.

Известен способ определения поверхностного натяжения твёрдых тел различной природы путём предварительного отжига нитевидного образца с одновременным приложением растягивающей нагрузки в пределах упругой деформации, последующего снижения его температуры до температуры измерения и завершающих возбуждения в нём собственных механических колебаний и фиксирования их частоты (авторское свидетельство СССР
№ 966561, МПК G 01 N 13/02, 15.10.1982 г.).

Известен способ измерения поверхностного натяжения металлов в твёрдой фазе в специальном устройстве, содержащем рычажный механизм с компенсационным грузом, путём предварительного отжига нитевидного образца при температуре 0,9 температуры его плавления в вакууме, последующего его нагревания до наступления явления ползучести, при котором нарушается равновесие рычага, и завершающего уравновешивания рычага с фиксацией величины перемещения компенсационного груза (патент РФ № 2314515, МПК G 01 N 13/02, 10.01.2008 г.).

К общим недостаткам двух данных способов можно отнести то, что они не позволяют определять поверхностное натяжение на границе раздела твёрдое тело – жидкость, являющееся наиболее информативной физико-химической характеристикой, а также их трудоёмкость, обусловленную необходимостью наличия высокоточной приборной базы (например микроштатив, звуковой генератор, цифровой частотомер, специальное герметичное устройство с рычажным механизмом и оптической системой отсчёта), для работы с которой необходимы соответствующие навыки.

В результате проведённого поиска характерных отличительных признаков среди аналогов не обнаружено.

Задача, на которую направлено предлагаемое изобретение – разработка способа определения поверхностного натяжения твёрдых тел любой природы на границах раздела твёрдое тело – жидкость и твёрдое тело – газ.

Техническим результатом является упрощение способа определения поверхностного натяжения твёрдого тела.

Технический результат достигается тем, что в способе определения поверхностного натяжения твёрдого тела с молярным объёмом
м³/моль на границе раздела фаз, заключающемся в обезжиривании поверхности твёрдого тела известного состава, определении краевого угла смачивания, установке поверхности твёрдого тела строго горизонтально, определении высоты, при которой начинает нарушаться сплошность объёма капли на сухой поверхности твёрдого тела, посредством дискретной подачи жидкости каплями известного диаметра и определении поверхностного натяжения по формуле, Н/м:

,

где ;

ρ_ж – плотность жидкости, кг/м³;

w_к – скорость свободного падения капли с высоты, при которой начинает нарушаться сплошность её объёма на поверхности, м/с;

d_к – диаметр капли, м;

k – коэффициент, учитывающий проекцию силы поверхностного натяжения на границе раздела жидкость – газ на плоскость расположения поверхности твёрдого тела;

h – высота свободного падения капли, при которой начинает нарушаться сплошность её объёма на поверхности, м;

θ – краевой угол смачивания при натекании жидкости на поверхность при температуре 293 К, град.;

Т – температура поверхности твёрдого тела, К;

V_м – молярный объём вещества твёрдого тела, м³/моль.

Способ определения поверхностного натяжения твёрдого тела характеризующийся тем, что при определении поверхностного натяжения на границе раздела твёрдое тело – жидкость коэффициент, учитывающий проекцию силы поверхностного натяжения на границе раздела жидкость – газ на плоскость расположения поверхности твёрдого тела, равен нулю.

Способ определения поверхностного натяжения твёрдого тела характеризующийся тем, что при определении поверхностного натяжения на границе раздела твёрдое тело – газ коэффициент, учитывающий проекцию силы поверхностного натяжения на границе раздела жидкость – газ на плоскость расположения поверхности твёрдого тела, равен:

,

где σ_ж-г – поверхностное натяжение на границе раздела жидкость – газ, Н/м.

Сущностью изобретения является определение поверхностного натяжения твёрдого тела с молярным объёмом м³/моль посредством смачивания поверхности твёрдого тела каплями жидкости, подаваемыми с высоты, при свободном падении с которой на поверхности начинает нарушаться сплошность объёма капель, т. е. капля, при равномерном растекании по горизонтальной поверхности, начинает дробиться на две и/или более части. Нарушение сплошности объёма капель обусловлено тем, что кинетическая энергия капли, накопленная ею при свободном падении с этой высоты, сравнивается с энергией образования новых поверхностей контакта фаз.

Поверхностное натяжение на границе раздела фаз (твёрдое тело – жидкость, твёрдое тело – газ) определяется по заявленной формуле:

,

где ;

ρ_ж – плотность жидкости, кг/м³;

w_к – скорость свободного падения капли с высоты, при которой начинает нарушаться сплошность её объёма на поверхности, м/с;

d_к – диаметр капли, м;

k – коэффициент, учитывающий проекцию силы поверхностного натяжения на границе раздела жидкость – газ на плоскость расположения поверхности твёрдого тела;

h – высота свободного падения капли, при которой начинает нарушаться сплошность её объёма на поверхности, м;

θ – краевой угол смачивания при натекании жидкости на поверхность при температуре 293 К, град.;

Т – температура поверхности твёрдого тела, К;

V_м – молярный объём вещества твёрдого тела, м³/моль.

При этом при определении поверхностного натяжения на границе раздела твёрдое тело – жидкость коэффициент k, согласно уравнению Юнга-Лапласа, не имеет физического смысла. А при определении поверхностного натяжения на границе раздела твёрдое тело – газ коэффициент k, согласно уравнению Юнга-Лапласа, учитывает проекцию силы поверхностного натяжения на границе раздела жидкость – газ на плоскость расположения поверхности твёрдого тела.

Для снижения трудоёмкости предлагаемого способа величина скорости свободного падения капли в момент её соударения с поверхностью твёрдого тела определяется с помощью «Программы для расчёта кинематических характеристик процесса нестационарного осаждения сферической частицы в поле действия силы тяжести» (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2015660064 от 21.09.2015 г.), позволяющей с точностью до 1% рассчитать значение скорости в зависимости от диаметра капли, высоты её свободного падения, плотности жидкости, плотности и вязкости окружающей среды.

Природа твёрдого тела, в том числе состояние его поверхности, определяемое шероховатостью и адгезионными свойствами, учитывается через молярный объём вещества твёрдого тела, краевой угол смачивания при натекании жидкости на его поверхность при температуре 293 К, а также через высоту свободного падения капли, при которой нарушается сплошность её объёма на поверхности. Это позволяет с помощью заявленного способа определять поверхностное натяжение твёрдого тела с учётом анизотропии физико-химических свойств его поверхности, что способствует снижению трудоёмкости предлагаемого способа. Необходимо отметить, что для полимерных твёрдых тел используется молярный объём их мономеров.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет снизить трудоёмкость определения поверхностного натяжения твёрдого тела любой природы с молярным объёмом м³/моль.

Способ определения поверхностного натяжения твёрдого тела с молярным объёмом м³/моль осуществляется следующим образом. Вначале поверхность твёрдого тела известного состава обезжиривают и определяют краевой угол смачивания при натекании на неё жидкости при 293 К. Затем устанавливают поверхность строго горизонтально. Далее при температуре окружающей среды с некоторой начальной высоты, выбранной произвольно (например 0,3 м), дискретно подают на поверхность капли жидкости известного диаметра, плавно уменьшая или увеличивая высоту на величину переменного шага, также выбранного произвольно (например 0,002÷0,01 м), до нахождения с необходимой точностью, определяемой минимальным шагом (0,002 м), высоты свободного падения капель, при которой они начинают дробиться на две и/или более части. При этом необходимо обеспечить, чтобы дробление капель осуществлялось на сухой поверхности. В завершении по заявленной формуле рассчитывают поверхностное натяжение с учётом условий границы раздела фаз: твёрдое тело – жидкость или твёрдое тело – газ.

Пример. По предлагаемому способу было определено поверхностное натяжение твёрдых тел с молярным объёмом м³/моль на границах раздела твёрдое тело – жидкость и твёрдое тело – газ.

В качестве твёрдых тел использовались плоские диски диаметром
0,06 м и толщиной 0,003 м, изготовленные из алюминиевого сплава и тефлона при токарной обработке для создания реальной анизотропии физико-химических свойств их поверхностей. Нагрев твёрдых тел обеспечивался электронагревателем, подключённым к сети переменного тока через лабораторный автотрансформатор, а температура их поверхностей определялась с помощью инфракрасного термометра – пирометра. Молярный объём веществ твёрдых тел определялся по формуле, м³/моль:

,

где М_т – молярная масса вещества твёрдого тела известного состава, кг/моль;

ρ_т – плотность твёрдого тела (определялась методом гидростатического взвешивания), кг/м³.

В качестве жидкости использовалась дистиллированная вода. Краевые углы смачивания при её натекании на обезжиренные ацетоном поверхности твёрдых тел при температуре 293 К определялись с помощью отсчётного микроскопа. Диаметр капель воды, получаемый из калиброванной насадки, определялся как среднестатистический весовым методом и был равен 4,234⋅10^-3 м.

Таблица

* V_м – молярный объём вещества твёрдого тела (для полимера берётся молярный объём мономера), м³/моль;

θ – краевой угол смачивания при натекании жидкости на поверхность твёрдого тела при температуре 293 К, град.

** В.И. Ниженко, Л.И. Флока «Поверхностное натяжение жидких металлов и сплавов (одно- и двухкомпонентные системы)»,
М.: Металлургия, 1981, 208 с.; Х.Х. Калажоков, З.Х. Калажоков, Х.Б. Хоконов «Поверхностное натяжение расплава чистого алюминия»,
Журнал технической физики, 2003, т. 73, вып. 2, с. 141-142; Ричард ван Нурт «Основы стоматологического материаловедения»,
КМК-Инвест, 2004, 304 с.; Ю.А. Паньшин, С.Г. Малкевич, Ц.С. Дунаевская «Фторопласты», Л.: Химия, 1978, 232 с.

Степень точности равна ±4 % (для тефлона данные отсутствуют).

Высота свободного падения капель жидкости h на горизонтальные поверхности твёрдых тел, при которой они начинают дробиться на две и/или более части, определялась с помощью линейки. Скорость свободного падения капель w_к с высоты h определялась с помощью «Программы для расчёта кинематических характеристик процесса нестационарного осаждения сферической частицы в поле действия силы тяжести» (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2015660064 от 21.09.2015 г.).

Поверхностное натяжение твёрдых тел рассчитывалось по заявленной формуле с учётом границы раздела фаз: твёрдое тело – жидкость и твёрдое тело – газ.

В таблице приведены средние значения экспериментальных данных и расчётных параметров с указанием их абсолютных отклонений, а также справочные величины поверхностного натяжения на границе раздела твёрдое тело – газ, степень точности которых равна ±4 %.

Анализируя данные таблицы, можно сделать вывод о том, что предлагаемый простой способ обеспечивает справочную точность (±4 %) определения поверхностного натяжения твёрдого тела на границе раздела твёрдо тело – газ с учётом анизотропии физико-химических свойств поверхности твёрдого тела любой природы.

Таким образом, предлагаемый способ определения поверхностного натяжения твёрдого тела с молярным объёмом м³/моль на границах раздела твёрдое тело – жидкость и твёрдое тело – газ соответственно является простым и позволяет снизить трудоёмкость его определения.

Изобретение относится к области исследования свойств поверхностей твёрдых тел и может найти применение при решении фундаментальных и прикладных задач в химической, нефтехимической, лакокрасочной, фармацевтической и пищевой промышленности. Сущность: осуществляют определение краевого угла смачивания обезжиренной поверхности твёрдого тела с молярным объёмом , определение высоты нарушения сплошности объёма капли на сухой поверхности твёрдого тела и определение поверхностного натяжения по формуле, Н/м: , где ; ρ_ж – плотность жидкости, кг/м³; w_к – скорость свободного падения капли с высоты, при которой начинает нарушаться сплошность её объёма на поверхности, м/с; d_к – диаметр капли, м; k – коэффициент, учитывающий проекцию силы поверхностного натяжения на границе раздела жидкость – газ на плоскость расположения поверхности твёрдого тела; h – высота свободного падения капли, при которой начинает нарушаться сплошность её объёма на поверхности, м; θ – краевой угол смачивания при натекании жидкости на поверхность при температуре 293 К, град.; Т – температура поверхности твёрдого тела, К; V_м – молярный объём вещества твёрдого тела, м³/моль. Технический результат: упрощение способа определения поверхностного натяжения твёрдого тела. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ определения поверхностного натяжения твёрдого тела с молярным объёмом м³/моль на границе раздела фаз, заключающийся в обезжиривании поверхности твёрдого тела известного состава, определении краевого угла смачивания, установке поверхности твёрдого тела строго горизонтально, определении высоты, при которой начинает нарушаться сплошность объёма капли на сухой поверхности твёрдого тела, посредством дискретной подачи жидкости каплями известного диаметра и определении поверхностного натяжения по формуле, Н/м:

,

где ;

ρ_ж – плотность жидкости, кг/м³;

w_к – скорость свободного падения капли с высоты, при которой начинает нарушаться сплошность её объёма на поверхности, м/с;

d_к – диаметр капли, м;

k – коэффициент, учитывающий проекцию силы поверхностного натяжения на границе раздела жидкость – газ на плоскость расположения поверхности твёрдого тела;

h – высота свободного падения капли, при которой начинает нарушаться сплошность её объёма на поверхности, м;

θ – краевой угол смачивания при натекании жидкости на поверхность при температуре 293 К, град;

Т – температура поверхности твёрдого тела, К;

V_м – молярный объём вещества твёрдого тела, м³/моль.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при определении поверхностного натяжения на границе раздела твёрдое тело – жидкость коэффициент, учитывающий проекцию силы поверхностного натяжения на границе раздела жидкость – газ на плоскость расположения поверхности твёрдого тела, равен нулю.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при определении поверхностного натяжения на границе раздела твёрдое тело – газ коэффициент, учитывающий проекцию силы поверхностного натяжения на границе раздела жидкость – газ на плоскость расположения поверхности твёрдого тела, равен:

,

где σ_ж-г – поверхностное натяжение на границе раздела жидкость – газ, Н/м.