Способ измерения коэффициента поверхностного натяжения и статического и динамического краевых углов смачивания

Способ измерения коэффициента поверхностного натяжения и статического и динамического краевых углов смачивания

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области измерительной техники и может найти применение в различных отраслях промышленности, например в химической, лакокрасочной и пищевой.

Поверхностное натяжение жидкости и краевые углы смачивания - важнейшие показатели, характеризующие процессы и явления, происходящие на границе раздела жидкость - твердое тело - газ.

Известен способ определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости и статического краевого угла смачивания твердой поверхности по методу “лежачей” капли (А.Д.Зимон. Адгезия жидкостей и смачивание. М., Химия, 1974, с.52-55), заключающийся в определении формы и размеров капли, лежащей на пластине, с помощью оптических систем, например микроскопа.

Главным недостатком метода “лежачей” капли является трудность точного определения параметров капли, и, следовательно, невысокая точность метода. Кроме того, указанный метод не позволяет определить динамические краевые углы смачивания твердой поверхности движущейся жидкостью.

Известен способ определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости (Поверхностные явления и поверхностно-активные ввещества. Справочник под ред. А.А.Абрамова. Л., Химия, 1984, с.167-168), включающий измерение силы отрыва кольца от исследуемой жидкости. Однако данный метод не позволяет определить краевые углы смачивания.

Известен способ определения динамического краевого угла смачивания (Б.В.Дерягин, Н.В.Чураев. Смачивающие пленки. М., Наука, 1984, с.93-95), базирующийся на расчете указанного угла с помощью данных по скорости перемещения мениска жидкости, фиксируемой с помощью оптических средств, в капилляре под воздействием перепада давления и капиллярных сил.

К недостаткам данного способа следует отнести очень жесткие требования к постоянству внутреннего радиуса трубки и однородности внутренней поверхности.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности является способ определения поверхностного натяжения жидкостей методом прямого взвешивания (патент РФ №2154265, кл. G 01 N 13/02, 1998 г. - прототип), включающий взвешивание эталонного тела в воздухе, погружение наполовину и при полном погружении в исследуемую жидкость и вычислении коэффициента поверхностного натяжения жидкости.

К недостаткам способа можно отнести то, что он применим только к жидкостям, полностью смачивающим данную поверхность, то есть имеющим статистический краевой угол смачивания θ_ст=0. Кроме того, данный способ не позволяет определить динамический краевой угол смачивания, то есть в случае перемещения жидкости относительно твердой поверхности.

Технический результат изобретения состоит в возможности раздельного определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости и статического и динамического краевых углов смачивания твердой поверхности в процессе одного цикла измерений и повышение точности измерения указанных характеристик.

Этот результат достигается за счет того, что в способе измерения коэффициента поверхностного натяжения жидкости и статического н динамического краевых углов смачивания, включающем взвешивание исследуемого материала в воздухе и в исследуемой жидкости с последующим вычислением коэффициента поверхностного натяжения жидкости, при этом к пластине из исследуемого материала в нижней ее части прикрепляют два уса длиной 1-2 мм, причем они направлены вертикально вниз, затем пластину очищают от загрязнения, и после взвешивания пластины в воздухе проводят ряд взвешиваний: а) в момент касания исследуемой пластины с жидкостью;

в) в момент, предшествующий разрыву пленки жидкости, при опускании кюветы с жидкостью с минимальной скоростью; с) в момент прохождения мениска жидкости в середине пластины, при подъеме кюветы с жидкостью с постоянно заданной скоростью; и d) непосредственно перед полным погружением пластины в жидкость, при этом коэффициент поверхностного натяжения жидкости определяют по формуле:

статический краевой угол смачивания рассчитывают из соотношения:

а динамический краевой угол смачивания - с помощью формулы:

где А - ширина пластины; В - толщина пластины;

G₀ - показание взвешивающего устройства при взвешивании пластины в воздухе;

G₁ - показание взвешивающего устройства в момент касания исследуемой пластины с жидкостью;

G₂ - показание взвешивающего устройства в момент, предшествующий разрыву пленки жидкости;

G₃ - показание взвешивающего устройства в момент прохождения мениска жидкости в середине пластины;

G₄ - показание взвешивающего устройства непосредственно перед полным погружением пластины в жидкость.

На фиг.1 представлена схема прибора для реализации предлагаемого способа измерения коэффициента поверхностного натяжения жидкости и статического и динамического краевых углов смачивания твердой поверхности, где 1 - блок управления двигателя; 2 - электродвигатель; 3 - блок кинематики; 4 - термостатируемая ячейка; 5 - взвешивающее устройство; 6 - штатив; 7 - электронный блок усиления и преобразования сигнала; 8 - блок регистрации показаний взвешивающего устройства.

На фиг.2 представлена временная диаграмма показаний блока регистрации прибора для определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости и статического и динамического краевых углов смачивания твердой поверхности: τ - время; G - показание блока регистрации взвешивающего устройства.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

Пластину из исследуемого материала предварительно подготавливают. Для этого к боковым торцам пластины прикрепляют два уса, благодаря которым при извлечении пластины из жидкости на нижнем торце образуется пленка жидкости. Усы направляют вертикально вниз, чтобы ширина образующейся пленки жидкости была равна ширине пластины. Для проведения измерений достаточно длины усов 1-2 мм. После этого пластину тщательно очищают, так как загрязнения могут внести значительную погрешность в измерении не только краевого угла, но и поверхностного натяжения. Затем на площадку устанавливают кювету с исследуемой жидкостью. Жидкость термостатируется с помощью соответствующих средств (на фиг.1 не показаны). К взвешивающему устройству подвешивают пластину из испытуемого материала, производят взвешивание пластины в воздухе и фиксируют первое показание G₀. После этого с помощью приводного механизма перемещения кювету с минимальной скоростью поднимают вверх до касания пластины с жидкостью. Перемещение прекращают и производят замер показания G₁. Включают приводной механизм и с минимальной скоростью опускают кювету с жидкостью. В момент, предшествующий разрыву пленки жидкости, фиксируют показание взвешивающего устройства - G₂. С помощью задатчика скорости устанавливают нужную скорость подъема кюветы. Включают механизм подъема кюветы с жидкостью. При прохождении мениска жидкости, в середине пластины производят фиксацию показания взвешивающего устройства - G₃. Непосредственно перед полным погружением пластины в жидкость производят фиксирование последнего показания взвешивающего устройства - G₄.

Способ измерения коэффициента поверхностного натяжения жидкости и статического и динамического краевых углов смачивания, включающий взвешивание исследуемого материала в воздухе и в исследуемой жидкости с последующим вычислением коэффициента поверхностного натяжения жидкости, отличающийся тем, что к пластине из исследуемого материала в нижней ее части прикрепляют два уса 1-2 мм, причем они направлены вертикально вниз, затем пластину очищают от загрязнения, и после взвешивания пластины в воздухе проводят ряд взвешиваний: а) в момент касания исследуемой пластины с жидкостью; в) в момент, предшествующий разрыву пленки жидкости, при опускании кюветы с жидкостью с минимальной скоростью; с) в момент прохождения мениска жидкости середины пластины при подъеме кюветы с жидкостью с постоянно заданной скоростью; и d) непосредственно перед полным погружением пластины в жидкость, при этом коэффициент поверхностного натяжения жидкости определяют по формуле:

статический краевой угол смачивания рассчитывают из соотношения:

а динамический краевой угол смачивания - с помощью формулы:

где А - ширина пластины; В - толщина пластины;

G₀ - показания взвешивающего устройства при взвешивании пластины в воздухе;

G₁ - показания взвешивающего устройства в момент касания исследуемой пластины с жидкостью;

G₂ - показания взвешивающего устройства в момент, предшествующий разрыву пленки жидкости;

G₃ - показания взвешивающего устройства в момент прохождения мениска жидкости середины пластины;

G₄ - показания взвешивающего устройства непосредственно перед полным погружением пластины в жидкость.