Dokładne wyznaczanie równowagowych wartości napięcia powierzchniowego za pomocą testów perturbacji obszarowej

Protokoły te można włączyć do protokołów pomiaru naprężenia. Na przykład można je wykorzystać do pomiaru równowagowego napięcia międzyfazowego między fazą wodną i olejową. Każdy z dwóch protokołów przedstawionych w tym filmie może być wykorzystany do uzyskania solidnych i wiarygodnych wartości napięcia powierzchniowego równowagi.

Wartości te można ustalić po przetestowaniu ich stabilności pod kątem zakłóceń obszarowych. Aby rozpocząć, przygotuj tensjometr i próbkę zgodnie z opisem w protokole tekstowym. Następnie wybierz odwróconą igłę ze stali nierdzewnej na podstawie szacowanych wartości napięcia powierzchniowego i umieść ją na końcówce urządzenia dozującego.

Następnie załaduj 40 mililitrów próbki cieczy do ogniwa kwarcowego. Umieść komórkę na szczycie platformy próbki. Wyreguluj wysokość odwróconej igły tak, aby końcówka igły znajdowała się co najmniej 20 milimetrów poniżej powierzchni próbki cieczy.

Wstrzyknąć jeden mililitr powietrza przez zanurzoną odwróconą igłę w celu usunięcia zanieczyszczeń, które mogą znajdować się na końcówce strzykawki i poprawy czystości chemicznej powierzchni granicy faz powietrze/ciecz. Następnie eksperymentalnie określ początkową objętość pęcherzyka. Dozować obliczoną początkową objętość pęcherzyka, aby utworzyć pęcherzyk na końcu odwróconej strzykawki.

Upewnij się, że bańka znajduje się w równowadze hydrostatycznej, tak aby bańka się nie poruszała. Zmierz dynamiczne napięcie powierzchniowe w oparciu o kształt wytworzonego pęcherzyka powietrza na końcu igły. Co sekundę obliczaj napięcie powierzchniowe w oparciu o metodę analizy osiowosymetrycznego kształtu kropli równania Laplace'a-Younga.

Porównaj rzeczywisty kształt bańki z kształtem obliczonym. Jeśli te dwa kształty nakładają się na siebie, to równanie równowagi Laplace'a-Younga jest prawidłowe. To wnioskowanie jest całkowicie słuszne, gdy pęcherzyk przestaje się poruszać, a napięcie powierzchniowe przestaje się zmieniać.

Zmierz napięcie powierzchniowe w funkcji czasu do momentu osiągnięcia pierwszego napięcia powierzchniowego w stanie ustalonym. Napięcie powierzchniowe w stanie ustalonym definiuje się jako płaszczyznę wartości, powyżej której napięcie powierzchniowe zmienia się o mniej niż jeden miliniuton na metr lub o mniej niż 5% w kilku kolejnych dynamicznych pomiarach napięcia powierzchniowego. Po osiągnięciu napięcia powierzchniowego w stanie ustalonym zapisz objętość pęcherzyka i pole powierzchni.

Następnie zmniejsz objętość pęcherzyków, usuwając jeden mikrolitr powietrza i zapisz nową objętość i powierzchnię pęcherzyków. Kontynuuj pomiar dynamicznego napięcia powierzchniowego w obszarach, aż dynamiczne napięcie powierzchniowe osiągnie drugie napięcie powierzchniowe w stanie ustalonym. Następnie zwiększ objętość pęcherzyków, wstrzykując jeden mikrolitr powietrza, tak aby objętość i powierzchnia były podobne do wartości początkowych.

Kontynuuj pomiar dynamicznych wartości napięcia powierzchniowego, aż do osiągnięcia trzeciego napięcia powierzchniowego w stanie ustalonym. Jeśli trzy wartości napięcia powierzchniowego w stanie ustalonym różnią się od siebie o mniej niż jedną miliniuton na metr lub o mniej niż 5%, wówczas definiujemy ich średnią jako równowagowe napięcie powierzchniowe. Umieścić napełniony uchwyt na próbkę w komorze wirowania tensjometru, a następnie obrócić rurkę z prędkością 500 obr./min.

Powinno to zapobiec migracji wstrzykniętego pęcherzyka w górę lub przyczepianiu się do ścianki rurki. Następnie załaduj dwa mikrolitry powietrza do strzykawki. Wprowadzić igłę strzykawki przez gumową przegrodę, która uszczelnia rurkę wirującą i wstrzyknąć dwumikrolitrowy pęcherzyk powietrza do rurki wirującej.

Zwiększ częstotliwość obrotu probówki z próbką, tak aby pęcherzyk zbliżał się do osi obrotu i bardziej się odkształcał z powodu zwiększonych sił odśrodkowych. Kontynuuj przyspieszanie, aż stosunek długości poziomej bańki do jej promienia w środku pęcherzyka wyniesie osiem lub więcej. Następnie wyreguluj kąt nachylenia komory pomiarowej, aby ustawić probówkę z próbką w poziomie.

Zapobiegnie to ruchowi pęcherzyków i pomoże osiągnąć równowagę żyroskopytyczną, dla kształtu osiowosymetrycznego przyjętego w równaniu Laplace'a-Younga i zastosowanym algorytmie. Teraz zmierz i zapisz dynamiczne wartości napięcia powierzchniowego w odstępach jednosekundowych. Kontynuuj ze stałą częstotliwością obrotów, aż napięcie powierzchniowe osiągnie wartość w stanie ustalonym.

Zapisz także objętość i obszar bąbelków. Po nagraniu zmień częstotliwość obrotu na drugą częstotliwość obrotu, aby zmienić pole powierzchni. Zmierz dynamiczne napięcie powierzchniowe przy stałej częstotliwości obrotu, gdy osiągnie drugą wartość w stanie ustalonym przy nowej częstotliwości.

W tym momencie zapisz również objętość i obszar nowego bąbelka. Następnie zmień częstotliwość obrotu tak, aby była zbliżona do pierwotnej wartości. Mierz dynamiczne wartości napięcia powierzchniowego przy tej stałej częstotliwości obrotu, aż do osiągnięcia trzeciej wartości w stanie ustalonym.

Ponownie zarejestruj nową objętość i obszar bąbelka. Za pomocą metody pęcherzyków pojawiających się zmierzono wartości napięcia powierzchniowego w stanie ustalonym pięciomilimolowego roztworu Triton X-100 w stosunku do powietrza. Stężenie to jest wyższe od krytycznego stężenia miceli dla tego środka powierzchniowo czynnego w wodzie.

Napięcie powierzchniowe w stanie ustalonym wynoszące 31,5 miliniutonów na metr uzyskano około 20 sekund po uformowaniu się pęcherzyka. Po około 25 sekundach objętość i obszar pęcherzyka zostały zmniejszone, a dynamiczne napięcie powierzchniowe spadło do 31 i w ciągu jednej sekundy wzrosło z powrotem do 31,5, oznaczając napięcie powierzchniowe w stanie ustalonym numer dwa. Po około 50 sekundach objętość i obszar pęcherzyka uległy gwałtownemu zwiększeniu, a wartość dynamicznego napięcia powierzchniowego niewiele się zmieniła, a zatem napięcie powierzchniowe w stanie ustalonym numer trzy również określono na 31,5 miliniutonów na metr.

Wszystkie trzy wartości SST były takie same, dlatego napięcie powierzchniowe równowagi określono na 31,5 miliniutonów na metr. Stosując metodę wirujących pęcherzyków, stwierdzono, że napięcie powierzchniowe w stanie ustalonym 1 wynosi 30,9 miliniutonów na metr, napięcie powierzchniowe w stanie ustalonym dwa wynosi 30,6, a napięcie powierzchniowe w stanie ustalonym 3, a napięcie powierzchniowe w stanie równowagi wynosi 30,8. Obie metody wykazały 2,2% różnicy w wartościach napięcia powierzchniowego równowagi podczas pomiaru pięciu milimolowych Triton X-100.

Wynikało to prawdopodobnie z jakichś błędów systematycznych. Najważniejszą rzeczą, o której należy pamiętać w przypadku metody pojawiających się pęcherzyków, jest utrzymanie warunków zbliżonych do równowagi hydrostatycznej. W przypadku metody wirujących bąbelków upewnij się, że stosujesz prawidłowe równanie.

Metody opisane w tym filmie mogą być również stosowane do określania równowagowych wartości napięcia międzyfazowego między fazami wodnymi i olejowymi. Metody te zapewniają bardziej wiarygodny sposób obliczania, ile środka powierzchniowo czynnego absorbuje w równowadze na granicy faz powietrze-woda. Może być również stosowany do określania stopnia agregacji środków powierzchniowo czynnych w roztworze zwanym micelizacją.