旋转液滴界面张力测定仪的研制

旋转液滴界面张力测定仪的研制

1表面活性剂的应用液体和液体界面是由两种不相容的液体接触形成的物理界面。它存在于生物体和自然界，对生命和生命体验、工业生产和日常生活非常重要。液液界面张力是垂直通过液液界面上任一单位长度、与界面相切的收缩界面的力,是一种重要的化工基础数据,在界面化学、液液萃取、表面活性剂开发、三次采油等方面都具有广泛的应用。液液界面张力的测定方法有很多,如毛细上升或下降法、脱环法、滴体积法(滴重法)、吊片法、泡压法(气泡最大压力法)、停滴法、悬滴法等。而能适用于低界面张力(10-1～10-2mN/m)或超低界面张力(低于10-3mN/m)测定的方法却很少,上述方法中只有滴外形法尚可应用,但实际测定时非常困难。通常只有在采用旋转液滴法测定低或超界面张力时,人为地改变了原来重力与界面张力的平衡,通过使体系旋转,增加离心力场的作用实现界面张力的测定。旋转液滴法是一种光学设备及其它设施要求都相对简单、易于建立且有较好正确度的测定方法。国外虽有商品出售,但价格昂贵,国内除少数单位已引进该仪器外,却无研制的报道。本文将介绍一种低或超低界面张力测定装置—旋转液滴界面张力仪,并用该仪器测定一些两相系统的界面张力。2低密度液滴的界面张力的测定在一旋转的样品管C中充满高密度为ρB的液体,加入低密度为ρA的液滴A使它悬浮在液体B中,密闭地安装在旋转液滴仪的样品管中,这时样品管平行于旋转轴D,如图1所示。开动机器后,以样品管中心轴为转轴,携带液体以角速度ω旋转。在离心力、重力及界面张力的作用下,低密度液滴在高密度液体中形成一长球形或圆柱形液滴,其形状由旋转速度和两液体之间的界面张力决定。假设液滴A经拉长后与旋转轴重合,忽略重力和浮力的影响,当角速度ω足够大时,可将其看作是带有两个半圆底的圆柱体。Vonnegut从液滴体积不变时,液滴A的总能量最小的原则出发,导出了界面张力的近似计算公式:γ=Δρω2y03/4(1)式中Δρ=ρB-ρAy0——液滴A被拉伸后垂直方向的最大半径鉴于液滴A被拉伸后垂直方向的最大半径比较小,测定比较困难,而且准确度很难保证。因此,将上式进行了变化,改写为:γ=14⋅π−0.5⋅Δρ⋅ω2⋅V0.5⋅L−0.5(2)γ=14⋅π-0.5⋅Δρ⋅ω2⋅V0.5⋅L-0.5(2)这样,只要通过测定被测低密度相液体体积V、旋转的角速度ω以及两液体的密度差Δρ,便可从上述方程求得两相间的界面张力γ。3低、超低界面张力的间接测定本仪器的检测对象是玻璃样品管的转速(ω)和低密度液滴长度(L),借助于公式(2),便可实现对低或超低界面张力γ的间接测定。它主要由夹持、旋转驱动、速度控制与测速、测长等部分组成(图2)。3.1璃样品管转轴与转轴的关系它的作用是将玻璃样品管13固定在空心转轴16之中。玻璃样品管由双精密玻璃管制成。由于它需要高速旋转,因此必须保证玻璃样品管与转轴同轴,玻璃样品管能轴向定位,且使样品管保持水平。在本仪器中对这些问题均作了考虑。3.2微电机和转速控制器其功能是带动试管装夹机构高速平稳的旋转。为此,做了如下考虑:第一,选用了高性能微电机和调速控制器以降低转速波动与机体振动;第二,在电机与转轴之间采用了同步带传动,以隔离电机的振动,确保转轴的运转更加平稳;第三,在转轴与支座间采用了高精度滚动轴承(C级)连接,以保证转轴的旋转精度;第四,保证支座两轴承孔的同轴度要求。3.3流电机与旋转轴相联这部分的作用是调节和测定旋转速度,将磁串可变速交/直流电机以软连接形式与旋转轴相联,以减少电机转动时对轴的振动性。电机转速通过微电机控制电路调压控制,转速的稳定性优于1%,用周期稳定性为10-3的计数器进行测定。3.4测量显微镜部件其功能是实现对低密度液滴(在高速旋转中呈现出圆柱体形状)长度的测量。本仪器采用了一维测量显微镜部件。它主要由显微镜6、滑板9、精密丝杆副18、20、直线圆柱导轨10、7、刻度标尺14和读数鼓轮11等环节组成。其特点是结构简单、紧凑,操作方便,有较高的测量准确度和灵敏度。仪器在使用时,应保持一定的恒温环境。4玻璃管旋转轴线张力法测界面张力用针筒将高密度相注入并充满整个玻璃样品管,盖上盖子,使多余的液体从盖子上的小孔溢出,将样品管口朝下倾斜约30°,用微量进样器将一定体积的低密度相液体小心地注入玻璃样品管中,缓慢转动玻璃管,以防液滴粘附在管壁上。待液滴上升至玻璃管的中部,再将玻璃管持平,继续缓慢旋转玻璃管,并将玻璃管小心装入旋转轴孔中,盖上旋转轴盖子,启动电机,先在低转速下旋转,待被测样品的温度恒定、液滴位置稳定后,再逐渐加大转速。通过旋转读数鼓轮,将显微镜目镜中的刻度线分别对准低密度相液滴的两端,并分别读取刻度标尺上的两次数值,即可测量出被拉长的低密度相液滴圆柱形长度。同时在显微镜的目镜标尺上读出被拉长的低密度相液滴圆柱形直径。再按式2计算出界面张力。计算界面张力所需的相密度及折光指数分别可从相关的文献或用密度瓶、阿贝折光仪精确测定出来。所有的有机或无机试剂均为分析纯。表1给出了不同两相系统的界面张力的实验值,并与文献值进行了比较。从表中的数据来看,实验值的重现性较好,实验值的偏差小于3%;与文献值也比较符合。表明本旋转液滴界面张力仪具有较好的测量准确度,可用于液液界面张力的测定。5低或超低界面张力间接测定本文自行研制了一台用于低或超低界面张力测定装置—旋转液滴界面张力测定仪。该测定仪主要是由夹持、旋转驱动、速度控制与测速、测长等部分组成,通过对检测低密度液相的体积(V)、样品管的转速(ω)和低密度液滴长