Способ определения поверхностного натяжения жидкости Советский патент 1985 года по МПК G01N13/02 

Изобретение относится к измерител ной технике и может быть использовано для измерения поверхностного натяжения на границе жидкость-газ, жидкость-жидкость, а также для определения краевых углов смачивания тве дьк .тел. , . Цель изобретения - упрощение способа и повышение его экспрессности путем исключения необходимости независимого определения краевого угла смачивания материала стержня исследу емой жидкостью. Кроме того, предлагаемый способ позволяет одновременно определять краевой угол смачивания. На фиг. 1 представлена схема устройства для измерения поверхностного натяженияi на фиг. 2 - графическая зависимость силы, действующей на зонд из парафина при его соприкосновении с водой от расстояния. Сущность предлагаемого способа за ключается в следующем. В момент соприкосновения торца зонда и жидкости происходит растекание жидкости по торцу и формирование на нем мениска. Максимальное значение силы, действующей на торец с перимет ром Р и углом смачивания б , определяется уравнением t/d-p-e nO , где о - поверхностное, межфазное . натяжение. .., Для перехода мениска на боковую поверхность, плоскость которой перпендикулярна торцу, и установления его р-авновесной формы необходимо перемещение зонда по направлению к жкгдкости. После установления равновесного значения мениска (для углов натекания 9 45°) устанавливается минималь ное значение силы, действующей на зонд .p-cosQ. (2) Погружение зонда в жидкость после установления равновесной формы менис ка на боковой поверхности не приводит к изменению капиллярных сил, дей ствующих на зонд. После установления равновесного положения мениска изменение (уменьшение) силы обуслов- ливается только действием силы Архимеда. Это приводит к изменению угла наклона прямой в координатах сила-пе ремещение. Следовательно, установление равновесного мениска и величину силы ij можно определить по изменению угла наклона прямых в координатах сила - перемещение. Из уравнений (1) и (2). легко находим как величину краевого угла смачивания, так и поверхностное натяжениеQ arctg (,/,),(Я ,i ,/izr44(iz/,f. ) Устройство для реализации предлагаемого способа включает в себя зонд 1, изготовленный из твердого вещества с соизмеримой торцовой 2 и боковой 3 поверхностями, соединенный посредством штока 4 с датчиком силы 5, расположенным в верхнем измерительном блоке 6. Между этим блоком и печью 7 установлены датчик расстояния 8. Вькоды датчиков силы и расстояния через усилитель 9 соединены с двухкоординатным графопостроителем 10, записывающим зависимость силы, действующей на зонд, от перемещения зонда относительно поверхности . жидкости, расположенной в тигле 11,. которое задаемся микровйнтом. В качестве датчиков силы .и расстояния применяют тензорезисторы, наклеенные на упругие пластинки из берилиевой бронзы. В установке использованы серийные приборы следующих типов: Гранат, двухкоординатный графопостроитель Н-306. Зонд 1 и тигель 11 с исследуемой жидкостью помещены в вакуумную камеру 12. Измерение производят следующим образом. Исследуемый материал помещают в тигель 11, расположенный внутри нагревателя печи 7, откачивают воздух и нагревают до заданной температуры. После установления нулевого уровня от.счета силы iQ(собственный вес зонда) приводят зонд 1 в соприкосновение с расплавом путем перемещения с помощью винта и производят запись значений силы в зависимости от перемещения на графопостроителе 10. В точке а происходит касание торцом стержня поверхности жидкости, и сила, действующая на стержень, увеличивается до максимального значения ii ifnaxПеремещения стержня в этот момент практически не происходит. Перемещение стержня с помощью микровинта по направлению к жидкости в точке б сначала не приводит к изменению действующей силы (небольшое плато). Это свидетельствует о том, что мениск вышел на периметр торца зонда и начинается переход мениска на боковую поверхность. Затем в процессе перемещеНИН зонда действующая сила уменьшаетс с одинаковым угловым коэффициентом до точки в, за которой снова следует небольшое плато. Это свидетельствует об установлении равновесной формы мениска. Точка в определяет минимальное значение , связанной с капиллярными эффектами. Здесь i тах .

Дальнейшее перемещение зонда приводит к уменьшению силы, однако с другим коэффициентом (участок в-2) , определяемой силой Архимеда, по которой можно рассчитать плотность жидкости. Здесь установление равновесного мениска и минимального значения силы определяем по изменению угла наклона прямых в координатах сила перемещение.

Предлагаемьш способ был проверен на системах ,At-Рв в области расслаивания при температурах 970.1070°С. . .

Пример 1. Измерение межфазкого натяжения на границе раздела фаз с помощью предлагаемого устройства использовали зонд, вьшолненный из стекла в виде цилиндра диаметром 4,25 мм и высотой 20 мм, В кювету наливали 50 мл и 30 мп CCf, что обеспечивало высоту слоев 10и 6 мм соответственно.

После включения регистрирующей аппаратуры и установления температуры 26°С опускали зонд в верхний водный слой и продвигали его по направлению к границе раздела фаз путем вращения микровинта с помощью электродвигателя со скоростью 2 об/мин. Значение силы, зафиксированное прибором до момента -касания зондом границы фаз,принимаем за нулевой уровень отсчета силы IQ . В момент касания зондом границы H O-CCf графойостроитель фиксировал увеличение силы дй максимального значения скачком на величину It 7,81-Ю Н. При дальнейшем движении зонда графопостроитель фиксирует смену направления действия силы выталкивания зонда из жидкости (фиг.2) и изменение силы до минимального значения на величину i 46,8310 Н.

Расчет по приведенным формулам (3) и (4) дает 9 171 , межфазное натяжение О 44,45 мДж/м.

Известное табличное значение составляет 44,02 . . Пример 2. Измерение межфазного натяжения в оптически непрозрачных средах между расслаивающимися жидкостями в системе .

Для измерения межфазного натяжения между жидкостями согласно предлагаемому способу использовали зонд из диаметр,ом 3,75 мм и высотой 16,0 мм. В тигель из А. диаметром 24 мм и высотой 45 мм помещали равны количества свинца и алюминия (по 15 г) из расчета получить слои жидкого расплава толщиной около 8 мм для обеспечения достаточной точности при одновременном измерении плотности.

После включения регистрирующей аппаратуры и установления температуры 970 опускали зонд в верхний расплав с помощью электродвигателя, вращающего микровинт с постоянной скоростью 2 об/мин. Момент касания зондом расплава фиксируется на графопостроителе в виде уменьшения силы, что отвечает случаю полного несмачивания изза наличия окисной пленки. При дальнейшем опускании зонда в расплав фиксируем уменьшение силы с постоянным угловым коэффициентом за счет действия силы Архимеда.

Значение силы, зафиксированное прибором до момента касания зондом границы раздела фаз, принимаем за нулевой уровень отсчета . В момент касания зондом границы расплавов графопостроитель.фиксировалувеличение силы до максимального значения скачком на величину , гпах1 о 2,4551б Н. При дальнейшем движении зонда графопостроитель фиксирует смену направления действия силы и изменение ее до минимального значения на величину 2,793-10 Н. Расчет по приведенным формулам (3) и (4) дает 9 132 , межфазное натяжение d .282 нЦж/м.

51182338 6:

Аналогичный порядок измерения со- чив 9 131° и. « 252 мДж/м, и при храняли при температурах 1020°С,полу- ,получив р 126°и 233 мДж/м.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ, -заключающийся в приведении вертикальн.ого стержня в соприкосновение с жидкостью и измерении силы, действующей на стержень, отлича.ющийс я тем, что, с целью упрощения способа. и повышения его экспрессности путем исклю 1ения необходимости независчмого определения кра евого угла смачивания , регистрируют зависимость силы, действующей на стержень ,от величины вертикального перемещения стержня после его соприкосновения с жидкостью, а поверхностное натяжение определяют по максимальному и минималь(Л ному значениям силы. . 00 ND bo 00 00

5. 0,57710.И

О

Л

см

60

2040

Фиг.г