Способ определения коэффициента поверхностного натяжения и угла смачивания

Авторы патента:

Пономарева Мария Андреевна (RU)

Якутенок Владимир Альбертович (RU)

G01N13/02 - исследование поверхностного натяжения жидкостей

Владельцы патента RU 2460987:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский государственный университет (ТГУ) (RU)

Изобретение относится к области поверхностных явлений в технологии вязкотекучих жидкостей и может использоваться в измерительной технике для прецизионного определения коэффициента поверхностного натяжения различных жидкостей, в том числе высокотемпературных расплавов, и измерения угла смачивания. Капля жидкости наносится на твердую горизонтальную поверхность. По изображению капли измеряются высота ее вершины и радиус пятна контакта капли с подложкой. На основе решения уравнений равновесия определяются коэффициент поверхностного натяжения и угол смачивания с заданной точностью. Ограничений по размеру капель и значению краевых углов нет. Техническим результатом способа является упрощение процедуры измерений и повышение точности результата. 1 табл., 4 ил.

Изобретение относится к области исследований поверхностных явлений и может использоваться в измерительной технике для определения коэффициента поверхностного натяжения и измерения угла смачивания различных жидкостей.

Известны способы определения коэффициента поверхностного натяжения, использующие условия капиллярного подъема и отрыва капель [М.Джейкок, Дж.Парфит. Химия поверхностей раздела фаз. М.: Мир, 1984, с.43-60].

Недостатком этих методов является их ограниченная применимость - только для маловязких жидкостей. Кроме того, эти известные способы не дают информации об углах смачивания.

Известен метод измерения угла смачивания путем непосредственного проведения касательной к поверхности капли в точке трехфазного контакта [А.Д.Зимон. Адгезия жидкостей и смачивание. М.: Химия, 1974, с.52-81]. Метод имеет большую погрешность измерения (3-5%), а приближенные формулы для расчета краевого угла по изображению ограничены малыми диапазонами значений углов смачивания.

Известен способ определения коэффициента поверхностного натяжения и угла смачивания методом лежащей капли [П.П.Арсентьев, В.В.Яковлев, М.Г.Крашенников и др. Физико-химические методы исследования металлургических процессов. М.: Металлургия, 1988, с.90-94, 101-102].

Недостатком способа является невысокая точность, возникающая из-за достаточно сложных обмеров границы капли и использования таблиц приближенных значений. К тому же метод ограничен по размерам капель (отношение максимального радиуса капли к ее высоте над экватором не может быть больше 2.1) и по значению углов смачивания (только для углов, больших 90°).

Известен способ определения поверхностного натяжения жидкостей (SU №1753368, G01N 13/02, 1992), в основе которого лежит измерение высоты капиллярного поднятия в калиброванном капилляре, а именно расстояния между линией трехфазного контакта и вершиной мениска жидкости. Капиллярная постоянная рассчитывается на основе численного решения основного уравнения капиллярности.

Недостатком способа является большая длительность измерения и необходимость использования катетометра для наблюдения положения вершины мениска жидкости в капилляре.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ определения поверхностного натяжения жидкостей (UA №48429А, G01N 13/02, 2002), который заключается в том, что получают изображение капли жидкости с помощью видеокамеры и определяют координаты точек контура меридианного сечения капли с помощью сегментации видеоизображения капли. Устройство для формирования капли жидкости содержит ножевой каплеобразующий элемент, торцевая поверхность которого обращена вверх, т.е. капля формируется не на горизонтальной подложке, а на конце капилляра. Затем определяют радиусы кривизны поверхности капли для произвольных точек на поверхности, которые расположены на линии меридианного сечения капли в двух взаимно перпендикулярных направлениях, и для точки вершины капли. По указанным радиусам кривизны на основании численного решения дифференциальных уравнений капиллярности определяют поверхностное натяжение жидкости.

Недостатком способа является необходимость определения координат точек контура поверхности капли по изображению и расчета для них радиуса кривизны, что в случае прямых измерений приводит к возникновению большого числа погрешностей, обусловленных использованием процедур численного дифференцирования по экспериментально полученным значениям координат поверхности капли. Для решения дифференциальных уравнений капиллярности необходимо также рассчитать объем сформированной капли. Для повышения точности таких расчетов необходимо привлечение программы обработки изображений. Кроме того, указанный метод не дает информации о величине угла смачивания.

Технической задачей изобретения является упрощение процедуры и повышение точности определения поверхностного натяжения и угла смачивания путем сокращения количества прямых измерений.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе коэффициент поверхностного натяжения и угол смачивания определяются в результате вычисления равновесной формы капли всего по двум наиболее просто измеряемым геометрическим параметрам: по высоте вершины капли и радиусу пятна ее контакта с подложкой. При этом каплю формируют на горизонтальной твердой поверхности, в качестве измеряемых геометрических характеристик используют высоту вершины капли z₀ и радиус пятна ее контакта с твердой поверхностью r_k а коэффициент поверхностного натяжения σ и угол смачивания θ рассчитывают по формулам

, .

Здесь Во - число Бонда, которое находят из условия при , а значение получают решением уравнения равновесия в цилиндрических координатах z и r: , с начальными условиями , , , где , , , , , ; t - длина дуги, отсчитываемая от оси z вдоль поверхности капли; ρ - разность плотностей жидкой и газовой фаз; g - ускорение свободного падения; R - радиус шара с объемом, равным объему измеряемой капли, С - константа в пределах от - 2 до 0, значение которой подбирают из условия, что объем фигуры вращения интегральной кривой равен 4π/3.

Способ иллюстрируется чертежами.

На фиг.1 схематично изображена капля жидкости, расположенная на горизонтальной твердой поверхности:

z₀ - высота капли;

r_k - радиус пятна контакта капли с подложкой;

z, r - цилиндрические координаты;

θ - угол смачивания.

На фиг.2 представлена зависимость высоты вершины r_k/R капли от радиуса пятна контакта капли с подложкой.

На фиг.3 представлена зависимость r_k/R от числа Бонда Во.

На фиг.4 представлена зависимость z₀/R от числа Бонда Во.

Способ по изобретению относится к разряду прецизионных методов определения коэффициента поверхностного натяжения и угла смачивания, т.е. позволяет проводить расчет с требуемой точностью. В основе способа лежит тот факт, что равновесная форма капли жидкости, расположенной на твердой горизонтальной поверхности, однозначно определяется двумя из четырех параметров: z₀/R - безразмерной высотой вершины капли, r_k/R - безразмерным радиусом пятна контакта капли с подложкой, углом смачивания θ и числом Бонда Во=ρgR²/σ.

В отличие от известного способа-прототипа, для расчета согласно изобретению не требуется проводить измерения последовательности точек контура капли, достаточно измерить всего две геометрические величины z₀ и r_k. Для расчета R вместо вычисления объема капли можно измерить ее массу. Такой подход сводит к минимуму количество прямых измерений в эксперименте, которые являются основным источником погрешностей, и позволяет найти требуемые величины с высокой точностью.

Вычисление значений коэффициента поверхностного натяжения и угла смачивания по измеренным высоте капли и радиусу пятна контакта поясняется примером. На фиг.2 сплошные линии сверху вниз соответствуют разным значениям числа Бонда: Во=0, 1, 4, 10. Пунктирные линии слева направо: θ=180°, 135°, 90°, 45°, 20°, 10°. Для нахождения σ и θ нужно отложить по оси абсцисс величину r_k/R, а по оси ординат z₀/R. Значения θ и Во можно рассчитать в точке пересечения путем интерполяции значений ближайших кривых.

Согласно положенному в основу способа факту, угол смачивания 9 можно найти по заданному значению z₀/R и ρgR²/σ или по заданному значению r_k/R и ρgR²/σ также на основе решения уравнений (1) и (2). Такой подход наиболее эффективен, если коэффициент поверхностного натяжения σ известен, и необходимо определить только угол смачивания θ.

Для вычисления приближенного значения угла смачивания по известному комплексу ρgR²/σ и r_k/R можно использовать фиг.3 или фиг.4, если известны значения z₀/R и ρgR²/σ. На фиг.3 кривые построены с шагом Δθ=10°, нижняя кривая соответствует θ=180°, верхняя - 10°. На фиг.4 кривые построены с шагом Δθ=10°, верхняя кривая соответствует θ=180°, нижняя - 10°.

В качестве примера осуществления способа выбраны три системы жидкость/подложка при соответствующих значениях температуры Т. Сначала решают задачу построения равновесных форм капель заданного объема по известным значениям коэффициента поверхностного натяжения и угла смачивания, взятым из известных источников. Затем по полученной равновесной форме измеряют значения высоты вершины капли z₀ и радиуса пятна ее контакта с твердой поверхностью r_k, после чего коэффициент поверхностного натяжения σ и угол смачивания θ рассчитывают заявленным способом. Полученные значения о для всех случаев представлены в таблице 1. Значение σ отличалось от изначально заданного не более чем на 0.02%, а значение θ совпадало с изначально заданным с точностью до 0.001%. Таким образом, основная погрешность в вычисление σ и θ может быть внесена только за счет погрешностей измерений r_k и z₀ капли, ее массы и плотности. Значение g для расчета бралось равным 9.81 м/с².

В таблице 1 величины Δθ и Δσ показывают, какую максимальную погрешность будут иметь вычисленные значения θ и σ, соответственно, если значения r_k и z₀ получены с отклонением в 0.1%. Значение коэффициента поверхностного натяжения σ более чувствительно к ошибкам в измерении z₀ и r_k в отличие от угла смачивания. Из представленных данных следует, что для повышения точности определения коэффициента поверхностного натяжения способом по изобретению лучше выбирать плохо смачиваемую подложку.

Техническим результатом способа определения поверхностного натяжения и угла смачивания по изобретению является упрощение процедуры измерений и повышение точности результата.

Использованные источники

1. М.Джейкок, Дж.Парфит. Химия поверхностей раздела фаз. М.: Мир, 1984, с.43-60.

2. А.Д.Зимон. Адгезия жидкостей и смачивание. М.: Химия, 1974, с.52-81.

3. П.П.Арсентьев, В.В.Яковлев, М.Г.Крашенников и др. Физико-химические методы исследования металлургических процессов. М.: Металлургия, 1988, с.90-94, 101-102.

4. Патент SU №1753368, G01N 13/02, 1992.

5. UA №48429 А, G01N 13/02, 2002.

Способ определения коэффициента поверхностного натяжения и угла смачивания, включающий измерение геометрических характеристик капли жидкости и сравнение их с численным решением дифференциальных уравнений равновесия, отличающийся тем, что каплю формируют на горизонтальной твердой поверхности, в качестве измеряемых геометрических характеристик используют высоту вершины капли z₀ и радиус r_k пятна ее контакта с твердой поверхностью, коэффициент поверхностного натяжения σ и угол смачивания θ рассчитывают по формулам
, ,
где параметр Во находят из условия при , а значение получают решением уравнения равновесия в координатах z и r:
, с начальными условиями , , , где , , , , , ; t - длина дуги, отсчитываемая от оси z вдоль поверхности капли; R - радиус шара с объемом, равным объему измеряемой капли; ρ - разность плотностей жидкой и газовой фаз; С - константа, значение которой подбирают из условия, что объем фигуры вращения интегральной кривой равен 4π/3.

Способ определения поверхностного натяжения жидкости // 2431822

Изобретение относится к области технических измерений, в частности к способам определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости, и может быть использовано при изучении процессов проникновения жидкостей в поры и их вытеснения из пор, что, в свою очередь, играет важную роль при интенсификации процессов пропитки, фильтрации, сушки и т.д.

Способ и устройство для измерения поверхностного натяжения жидкостей // 2416090

Изобретение относится к способу и устройству для измерения поверхностного натяжения жидкостей по принципу максимального давления пузырька. .

Способ определения физических свойств жидкости // 2391646

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к пневматическим способам контроля поверхностного натяжения и плотности жидкости, и может найти применение в различных отраслях промышленности, таких как нефтяная, химическая, микробиологическая, пищевая и др.

Способ и устройство для формирования границы раздела жидкость - жидкость, в частности для измерения поверхностного натяжения // 2390002

Изобретение относится к способу и устройству для формирования границы раздела между первой и второй по существу несмешивающимися жидкостями, в особенности для проведения измерения поверхностного натяжения на упомянутой границе раздела.

Способ измерения чистоты поверхности подложек // 2380684

Изобретение относится к измерительной технике в области микроэлектроники и предназначено для измерения чистоты поверхности подложек. .

Устройство для измерения поверхностного натяжения жидкости и оценки флотационной активности флотореагента // 2349899

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано для измерения поверхностного натяжения жидкости и оценки флотационной активности флотореагентов.

Способ определения поверхностного натяжения и плотности жидкости // 2328722

Определение удельной поверхностной энергии руд // 2323431

Изобретение относится к извлечению полезных компонентов из руд при обогащении полезных ископаемых. .

Способ измерения поверхностного натяжения металлов в твердой фазе // 2314515

Изобретение относится к способам и техническим средствам измерения физико-химических констант вещества, а именно поверхностного натяжения металлов в твердой фазе.

Способ определения концентрации и идентификации поверхностно-активных веществ в водных растворах // 2469291

Изобретение относится к области физических измерений

Способ оценки состояния легочного сурфактанта // 2500347

Изобретение относится к медицине, а именно к пульмонологии, и может быть использовано для оценки состояния легочного сурфактанта. Для этого собирают компоненты легочного сурфактанта путем барботации выдыхаемого воздуха через слой изотонического физиологического раствора, расположенного в стеклянной бюретке и лотке барьерной системы Ленгмюра. Затем в бюретке методом отрыва кольца измеряют статическое поверхностное натяжение полученного барботата выдыхаемого воздуха. Далее, в лотке барьерной системы Ленгмюра методом Вильгельми измеряют поверхностное давление Δσ с уменьшением площади между барьерами на 90%. При снижении статического поверхностного натяжения до 37±8 дин/см после 5 минут барботации и/или при повышении поверхностного давления Δσ с 4,5±1,0 дин/см после первого выдоха до 17,0±3,0 дин/см после пятого выдоха диагностируют нормальную антиателектатическую функцию легочного сурфактанта. Способ обеспечивает повышение эффективности сбора аэрозоля легочного сурфактанта из выдыхаемого воздуха при снижении времени проведения исследования. 2 ил., 3 пр.

Прибор для совместного измерения поверхностного натяжения и работы выхода электрона жидкометаллических систем с участием компонентов с высокой упругостью насыщенного пара металлов и сплавов // 2511277

Изобретение относится к приборам для исследования температурных и концентрационных зависимостей поверхностных свойств металлических расплавов с участием компонентов с высокой упругостью пара и может найти широкое применение в научно-исследовательской практике по физике, физической химии, материаловедении, металлургии легкоплавких металлов, заводских лабораториях и т.д. Комбинированный прибор для совместного определения температурных и концентрационных зависимостей поверхностного натяжения и работы выхода электрона жидкометаллических систем с участием компонентов с высокой упругостью насыщенного пара содержит основной резервуар с чашками-подложками для формирования больших капель исследуемых жидких сплавов. Также прибор содержит электроды для фиксации фотоэмиссионных токов, плоскопараллельные оптические окошки для фотографирования капли и освещения ее поверхности сверху монохроматизированными пучками света. При этом к корпусу резервуара вакуумно-плотно присоединена «гребенка» из необходимого по плану эксперимента количества вакуумированных ампул с блокированными внутри них полусферическими стеклянными перегородками дозированными навесками второго компонента с повышенной упругостью насыщенного пара. Техническим результатом является полное исключение свободного и неконтролируемого массопереноса летучего компонента внутри прибора, точная фиксация составов каждого из сплавов исследуемых двойных и (или) тройных систем с участием летучих компонентов, многократное уменьшение или полное исключение (в зависимости от конкретно исследуемых систем) степени запыления оптических окошек и электродов измерительного отсека прибора при измерениях эмиссионных свойств исследуемых сплавов и работы выхода электрона, расширение температурного диапазона измерений ПН и РВЭ за счет уменьшения времени и интенсивности воздействия паров летучих компонентов исследуемых сплавов на внутренние стенки прибора, увеличение долговечности и эксплуатационного периода прибора без потери основных характеристик, а также возможность повторного использования прибора для изучения других систем за счет многократного уменьшения общего времени воздействия паров агрессивных летучих компонентов исследуемых сплавов на материал, из которого изготовлен прибор. 2 ил.

Способ определения плотности металлических расплавов // 2517770

Изобретение относится к технической физике, а именно к определению физико-химических параметров металлических расплавов путем измерения плотности и поверхностного натяжения неподвижно лежащей на подложке эллипсовидной капли образца расплава посредством фотоэлектронной объемометрии. Образец расплава в виде капли помещают на подложку в вакуумной камере электропечи горизонтального типа и посредством фотоприемника получают силуэт капли расплава. Перед вакуумной камерой размещают коммутируемый оптический излучатель, который включают в момент прекращения регистрации фотоприемником собственного свечения капли образца расплава во время ее охлаждения. С помощью излучателя освещают каплю расплава и по отраженному оптическому сигналу силуэта капли определяют объем и плотность капли вплоть до температуры ее остывания. Технический результат заключается в увеличении температурного диапазона измерений плотности расплава. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

Способ определения дисперсности водогазовой смеси // 2522486

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использовано для определения параметров мелкодисперсной водогазовой смеси перед закачкой в пласт. Техническим результатом является обеспечение проведения измерения дисперсности водогазовой смеси как для прозрачной, так и для непрозрачной дисперсионной среды. Способ включает получение водогазовой смеси под повышенным давлением, отбор пробы водогазовой смеси и перевод ее в измерительную емкость при том же давлении. Перед проведением измерения определяется объем измерительной емкости, а в процессе измерения непрерывно регистрируется изменение давления свободного газа внутри измерительной емкости и объем свободного газа, соответствующее ему приращение объема свободного газа, определятся общее количество газа, содержащегося в отобранной пробе, затем определяется зависимость ΔР от объема свободного газа в емкости, которая затем пересчитывается в зависимость изменения давления (ΔР) от относительной доли текущего значения массы свободного газа miг/mг, где mг - общее количество газа mг, содержащегося в отобранной пробе, miг - текущее значение массы свободного газа, далее определятся радиус газовых пузырьков, содержащихся в доле текущего значения массы свободного газа по формуле: r i = 2 σ Δ P i , где σ - межфазное натяжение, и вычисляется функция распределения радиуса пузырьков. 3 з.п. ф-лы, 1 пр., 1 табл.

Способ и устройство для определения плотности и поверхностного натяжения многокомпонентных металлических расплавов // 2531039

Изобретение относится к технической физике, а именно к анализу материалов, в частности к определению физико-химических параметров многокомпонентных металлических расплавов методом геометрии «большой капли», т.е. путем измерения параметров неподвижно лежащей на подложке эллипсовидной капли образца многокомпонентного расплава посредством фотометрической объемометрии. Способ заключается в том, что нагревают образцы до плавления, при отклонениях силуэта от эллипсовидности нагрев останавливают. Затем воздействуют на каплю механическими колебаниями и продолжают нагрев, пока не будут устранены отклонения силуэта от эллипсовидности. Далее нагрев образца останавливают и прекращают воздействие механическими колебаниями. При этом колебания имеют звуковую частоту, например, кратную частоте сети. Кроме того, воздействуют механическими колебаниями на регулируемый шток. Кроме того, воздействуют колебаниями от электромеханического генератора. В устройство введены источник механических колебаний, средство для передачи механических колебаний, одним концом закрепленное на источнике механических колебаний, а другим концом соединенное с регулируемым штоком посредством регулируемого элемента. При этом в качестве источника колебаний используют силовой трансформатор, а средство для передачи колебаний соединено перпендикулярно штоку. Кроме того, средство для передачи механических колебаний выполнено в виде металлического штока. Кроме того, регулируемый элемент выполнен в виде струбцины. Техническим результатом является обеспечение возможности удаления пленки с поверхности расплавленного образца, получение и сохранение необходимой формы образца для последующего определения плотности и поверхностного натяжения многокомпонентных металлических расплавов. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 4 ил.

Способ определения физических параметров воды // 2539905

Изобретение относится к области физики материального взаимодействия, конкретно к способу определения физических характеристик φв - угла внутреннего трения и удельного сцепления - св воды с жидкокристаллической структурой. По зависимости h п л = σ п л / γ в = α / γ в , где σпл - величина поверхностного натяжения верхнего слоя пленки воды при температуре T°C и нормальном атмосферном давлении pатм.ср=1,033 кг/см2 окружающей среды, α - опытный справочный коэффициент, определяют толщину поверхностной пленки воды, удельное сцепление воды определяют как св=τ=γв·hпл=27,446 Па при hпл=27,978·10-4 м, а угол φв внутреннего трения воды определяют из зависимости tgφв=1-[св/(γв·H)] на заданной глубине H. Техническим результатом является создание способа определения физических характеристик угла внутреннего трения и удельного сцепления воды с жидкокристаллической структурой. 1 табл., 1 ил.

Способ определения коэффициента поверхностного натяжения жидкостей методом "растекания" // 2545333

Изобретение относится к области исследования поверхностных явлений и предназначено для надежного определения коэффициента поверхностного натяжения жидкостей σ21. Под этим коэффициентом понимается поверхностное натяжение жидкости (2) на границе с ее паром (1) или другим газом. Способ определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости методом «растекания» включает определение толщины равновесного слоя растекшейся жидкости. Также способ включает определение сил гидростатического давления и определение силы поверхностного натяжения на границе между жидкостью и твердой подложкой - силы межфазного натяжения. При этом дополнительно выполняют определение коэффициента межфазного натяжения между конкретной подложкой и исследуемой жидкостью. После чего определяют коэффициент поверхностного натяжения жидкости посредством использования уравнений по формулам: для случая полного смачивания , для случая полного несмачивания , где ρ - плотность исследуемой жидкости; g - ускорение свободного падения; h - толщина равновесного слоя растекшейся жидкости; σ32 - коэффициент межфазного натяжения в системе «материал подложки - исследуемая жидкость»; σ21 - коэффициент поверхностного натяжения исследуемой жидкости. Техническим результатом является получение достоверных значений коэффициента поверхностного натяжения основных жидкостей.

Способ определения поверхностного натяжения жидкости капиллярным методом // 2547003

Изобретение относится к области поверхностных явлений и предназначено для достоверного определения коэффициента поверхностного натяжения жидкостей σ21, под коэффициентом σ21 понимается поверхностное натяжение жидкости (2) на границе с ее паром (1) или другим газом. Способ определения коэффициента поверхностного натяжения жидкостей включает измерение величины превышения равновесного уровня жидкости в капилляре над уровнем жидкости в широком сосуде при подъеме и при истечении. При этом измерение уровней превышения равновесного уровня жидкости в капилляре над уровнем жидкости в широком сосуде при подъеме и при истечении производят несколько раз, не извлекая полностью капилляр из жидкости. Далее выполняют определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости по формуле: где h1 - среднее превышение равновесного уровня жидкости в капилляре при ее подъеме; h2 - среднее превышение равновесного уровня жидкости в капилляре при ее истечении; ρ - плотность жидкости; r - радиус капилляра; r0 - «радиус капиллярности» системы «материал капилляра - жидкость». Техническим результатом является достоверное определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости σ21 капиллярным методом.

Способ измерения поверхностного натяжения // 2554637

Изобретение относится к области аналитической техники, а именно к способам и средствам измерений межфазного натяжения жидких сред. Для этого формируют вспучивания на межфазной поверхности жидкость-газ или жидкость-жидкость воздействием ультразвукового радиационного давления, и определяя максимальную высоту вспучивания, судят о величине поверхностного или межфазного натяжения. Техническим результатом является обеспечение возможности сравнительных измерений поверхностного и межфазного натяжения жидкостей. 1 ил.