Genaue Bestimmung der Gleichgewichtsoberflächenspannungswerte mit Flächenstörungstests

Diese Protokolle können in Spannungsmessprotokolle integriert werden. Sie können beispielsweise verwendet werden, um die Grenzflächenspannung zwischen Wasser- und Ölphasen zu messen. Jedes der beiden Protokolle in diesem Video kann verwendet werden, um robuste und zuverlässige Gleichgewichtsoberflächenspannungswerte zu erhalten.

Diese Werte können nach dem Testen ihrer Stabilität gegen Flächenstörungen ermittelt werden. Bereiten Sie zunächst das Tensiometer und das Beispiel wie im Textprotokoll beschrieben vor. Wählen Sie dann eine invertierte Edelstahlnadel basierend auf den geschätzten Oberflächenspannungswerten aus und platzieren Sie sie an der Spitze der Dosiervorrichtung.

Als nächstes 40 Milliliter flüssige Probe in eine Quarzzelle laden. Platzieren Sie die Zelle auf der Beispielplattform. Stellen Sie die Höhe der invertierten Nadel so ein, dass die Spitze der Nadel mindestens 20 Millimeter unter der Oberfläche der flüssigen Probe liegt.

Injizieren Sie einen Milliliter Luft durch die untergetauchte invertierte Nadel, um Verunreinigungen zu entfernen, die möglicherweise an der Spitze der Spritze vorhanden sein könnten, und um die oberflächenchemische Reinheit der Luft-Flüssig-Schnittstelle zu verbessern. Bestimmen Sie dann experimentell das anfängliche Blasenvolumen. Geben Sie das berechnete anfängliche Blasenvolumen aus, um eine Blase an der Spitze der invertierten Spritze zu bilden.

Stellen Sie sicher, dass sich die Blase im hydrostatischen Gleichgewicht befindet, so dass sich die Blase nicht bewegt. Messen Sie die dynamische Oberflächenspannung basierend auf der Form der erzeugten Luftblase an der Spitze der Nadel. Berechnen Sie jede Sekunde die Oberflächenspannung basierend auf der axsymmetrischen Tropfenformanalysemethode der Laplace-Young-Gleichung.

Vergleichen Sie die tatsächliche Form der Blase mit einer berechneten Form. Wenn sich die beiden Formen überlappen, ist die Gleichgewichtsgleichung Laplace-Young gültig. Diese Schlussfolgerung ist vollständig gültig, wenn sich die Blase nicht mehr bewegt und sich die Oberflächenspannung nicht mehr ändert.

Messen Sie die Oberflächenspannung in Abhängigkeit von der Zeit, bis die erste steady-state Oberflächenspannung erreicht ist. Die konstante Oberflächenspannung ist definiert als eine Wertebene, ab der sich die Oberflächenspannung bei mehreren aufeinanderfolgenden dynamischen Oberflächenspannungsmessungen um weniger als einen Millinewton pro Meter oder um weniger als 5 % ändert. Wenn eine konstante Oberflächenspannung erreicht wird, zeichnen Sie das Blasenvolumen und die Oberfläche auf.

Verringern Sie dann das Blasenvolumen, indem Sie einen Mikroliter Luft entfernen und das neue Blasenvolumen und die neue Fläche aufzeichnen. Messen Sie die dynamische Oberflächenspannung in den Bereichen weiter, bis die dynamische Oberflächenspannung die zweite konstante Oberflächenspannung erreicht. Erweitern Sie als Nächstes das Blasenvolumen, indem Sie einen Mikroliter Luft injizieren, sodass Volumen und Fläche den Anfangswerten ähneln.

Messen Sie die dynamischen Oberflächenspannungswerte so lange, bis eine dritte konstante Oberflächenspannung erreicht ist. Wenn sich die drei konstanten Oberflächenspannungswerte um weniger als einen Millinewton pro Meter oder um weniger als 5 % voneinander unterscheiden, definieren wir ihren Durchschnitt als Gleichgewichtsoberflächenspannung. Legen Sie einen gefüllten Probenhalter in die Spinnkammer des sich drehenden Tensiometers und drehen Sie das Rohr dann bei 500 U/min.

Dadurch sollte verhindert werden, dass die injizierte Blase nach oben wandert oder an der Rohrwand befestigt wird. Als nächstes zwei Mikroliter Luft in die Spritze laden. Setzen Sie die Nadel der Spritze durch das Gummiseptum, das das Spinnrohr versiegelt und eine Zwei-Mikroliter-Luftblase in das Spinnrohr injiziert.

Erhöhen Sie die Rotationsfrequenz des Probenröhrchens, so dass sich die Blase näher an die Rotationsachse bewegt und sich aufgrund der erhöhten Fliehkräfte mehr verformt. Beschleunigen Sie es weiter, bis das Verhältnis der Länge der horizontalen Blase zu ihrem Radius in der Mitte der Blase acht oder größer ist. Passen Sie dann den Neigungswinkel der Messkammer an, um das Probenrohr horizontal zu positionieren.

Dies wird Blasenbewegungen verhindern und dazu beitragen, ein gyrostatisches Gleichgewicht für eine axisymmetrische Form zu erreichen, die in der verwendeten Laplace-Young-Gleichung und -Algorithmus angenommen wird. Messen und zeichnen Sie nun die dynamischen Oberflächenspannungswerte in Intervallen in einer Sekunde auf. Fahren Sie mit einer festen Rotationsfrequenz fort, bis die Oberflächenspannung einen konstanten Zustandswert erreicht.

Zeichnen Sie außerdem das Blasenvolumen und die Fläche auf. Ändern Sie nach der Aufnahme die Rotationsfrequenz in eine zweite Rotationsfrequenz, um die Oberfläche zu variieren. Messen Sie die dynamische Oberflächenspannung bei einer festen Rotationsfrequenz, sobald sie bei der neuen Frequenz einen zweiten konstanten Zustandswert erreicht.

Zeichnen Sie an dieser Stelle auch das neue Blasenvolumen und die neue Fläche auf. Ändern Sie als Nächstes die Rotationsfrequenz, sodass sie sich in der Nähe des ursprünglichen Wertes befindet. Messen Sie die dynamischen Oberflächenspannungswerte bei dieser festen Rotationsfrequenz, bis der dritte steady State-Wert erreicht ist.

Notieren Sie erneut das neue Blasenvolumen und die neue Fläche. Mit der aufkommenden Blasenmethode wurden die konstanten Oberflächenspannungswerte einer fünfMillimolaren Lösung von Triton X-100 an Luft gemessen. Diese Konzentration liegt über der kritischen Micelle-Konzentration für dieses Tensid in Wasser.

Die konstante Zustandsoberflächenspannung von 31,5 Millinewton pro Meter wurde etwa 20 Sekunden nach der Bildung der Blase erreicht. Nach etwa 25 Sekunden wurden Volumen und Fläche der Blase reduziert und die dynamische Oberflächenspannung fiel auf 31 und innerhalb einer Sekunde und erhöhte sich wieder auf 31,5, was die konstante Oberflächenspannung Nummer zwei markierte. Nach etwa 50 Sekunden wurden das Volumen und die Fläche der Blase abrupt erhöht und der dynamische Oberflächenspannungswert änderte sich kaum, und daher wurde auch die konstante Oberflächenspannung Nummer drei auf 31,5 Millinewton pro Meter festgelegt.

Die drei SST-Werte waren alle gleich, daher wurde die Gleichgewichtsoberflächenspannung auf 31,5 Millinewton pro Meter festgelegt. Bei der Methode der Spinnblase wurde eine konstante Zustandsoberflächenspannung von 30,9 Millinewtons pro Meter, die konstante Oberflächenspannung zwei auf 30,6 und die konstante Oberflächenspannung drei und die Gleichgewichtsoberflächenspannung 30,8 ermittelt. Die beiden Methoden hatten bei der Messung von fünf Millimolaren Triton X-100 einen Unterschied von 2,2 % in den Gleichgewichtsoberflächenspannungswerten.

Dies war wahrscheinlich auf bestimmte systematische Fehler zurückzuführen. Das Wichtigste, was man sich für die entstehende Blasenmethode merken sollte, ist, Bedingungen in der Nähe der hydrostatischen Gleichgewichte aufrechtzuerhalten. Achten Sie bei der Spinnblasenmethode darauf, die richtige Gleichung anzuwenden.

Die in diesem Video beschriebenen Methoden können auch angewendet werden, um Gleichgewichtsgrenzflächenspannungswerte zwischen Wasser- und Ölphasen zu bestimmen. Diese Methoden bieten eine zuverlässigere Methode zur Berechnung, wie viel ein Tensid absorbiert, wenn es sich im Gleichgewicht an der Luft-Wasser-Schnittstelle befindet. Es kann auch verwendet werden, um das Ausmaß der Tensidaggregation in einer Lösung zu bestimmen, die als Micellisierung bezeichnet wird.