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接觸角測(cè)量?jī)x之懸滴法測(cè)量動(dòng)態(tài)表面張力的實(shí)例數(shù)據(jù)

更新日期:2020-11-20      瀏覽次數(shù):3584
 LAUDA Scientific接觸角測(cè)量?jī)x采用懸滴法進(jìn)行動(dòng)態(tài)表面張力測(cè)量,尤其適合研究表面活性劑體系:不但可以考察表面活性劑的擴(kuò)散速度,而且可以通過(guò)上面提到的 “surface life/age scanning” 測(cè)量模式完整地測(cè)繪出所考察體系的 “表面張力γ - 表面活性劑濃度c - 界面時(shí)間/壽命t ” 三維拓?fù)潢P(guān)系圖,γ(c,t),從而進(jìn)一步確定體系臨界膠束濃度CMC隨界面壽命的時(shí)間依賴關(guān)系CMC(t)。

在下面的測(cè)量中我們采用了SurfaceMeter的動(dòng)態(tài)速度錄像模式,結(jié)合高精度自動(dòng)注射泵,高速度相機(jī),和全自動(dòng)錄像分析計(jì)算功能以及全輪廓懸滴分析法,測(cè)量了某一表面活性劑水溶液的動(dòng)態(tài)表面張力-時(shí)間曲線(測(cè)量在室溫下進(jìn)行)。

· 動(dòng)態(tài)速度錄像模式容許在一個(gè)錄像過(guò)程中不斷地改變錄像的速度,這尤其適合動(dòng)態(tài)表面張力的測(cè)量,因?yàn)槠鹗紩r(shí)(表面剛形成時(shí))表面張力隨時(shí)間的變化速度很快,這時(shí)就要求以Z高的速度進(jìn)行記錄;隨著時(shí)間的推遲,變化速度迅速下降,錄像的速度也可以相應(yīng)地不斷減小,直至到達(dá)希望考察的終測(cè)量時(shí)間點(diǎn)。

· 采用的自動(dòng)注射泵具有相當(dāng)寬的加液速度范圍,不但容許非常緩慢的加液速度(如1μl/min),而且也具備非常高的加液速度(20.000μl/min),后者使得液滴或氣泡可以在極短的時(shí)間內(nèi)形成。

· 高速相機(jī)(這里采用的USB3相機(jī)的Z高速度為230fps@1280x1024)使得測(cè)量的短時(shí)間間隔大大減小,即使對(duì)變化非常迅速的過(guò)程也能夠提供相當(dāng)可觀的時(shí)間分辨率和細(xì)節(jié)。

· SurfaceMeter軟件所采用的全輪廓懸滴分析計(jì)算法,使得軟件可以從懸滴開(kāi)始形成的早時(shí)刻起,就能通過(guò)對(duì)其圖像的分析計(jì)算獲得準(zhǔn)確可靠的表面張力值。

· 

-1給出了懸滴開(kāi)始形成的首15幅圖像。從這些圖像可以非常準(zhǔn)確地確定懸滴開(kāi)始形成的時(shí)間點(diǎn) - 0時(shí)間點(diǎn)(不確定性小于二副圖像間的時(shí)間間隔)。軟件可以從第3/4幅圖像開(kāi)始分析計(jì)算對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)的表面張力值以及其他相關(guān)參數(shù)(如液滴體積/表面積等)。圖-2顯示了對(duì)整個(gè)錄像的進(jìn)行分析計(jì)算后得到的結(jié)果,同時(shí)給出了懸滴的表面積隨時(shí)間的變化。

液滴形成時(shí)的初圖像

-1:液滴形成時(shí)的初圖像:從左到右/從上到下,二副圖像之間的時(shí)間間隔為6ms

表面張力-時(shí)間變化曲線

-2:表面張力-時(shí)間變化曲線

從圖中可以看出,體系的表面張力在表面剛剛形成時(shí)呈現(xiàn)出相當(dāng)顯著的時(shí)間依賴性,從幾乎純水的表面張力值迅速地下降,到約400s后,開(kāi)始進(jìn)入緩慢下降階段,慢慢趨向平衡值。

為了更好地分析表面剛剛形成時(shí)刻段的變化細(xì)節(jié),圖-3給出了起始1秒內(nèi)的變化曲線。首先從圖中可以清洗地看出,液滴的表面積約在0.5s后接近終值,也即液滴形成過(guò)程在此時(shí)刻已經(jīng)基本完成。其次,得到的表面張力值在0.02-0.03s之前波動(dòng)較大,因?yàn)榇藭r(shí)所對(duì)應(yīng)的懸滴尺寸還相當(dāng)微?。ㄟh(yuǎn)遠(yuǎn)偏離其可以達(dá)到的大許可值),所以這些數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性是比較差的。但盡管如此,數(shù)據(jù)仍然處于相當(dāng)合理的區(qū)域。從約0.03s起,曲線所呈現(xiàn)的整個(gè)走向就相當(dāng)連續(xù),而且數(shù)據(jù)的波動(dòng)相當(dāng)平穩(wěn),充分表明了獲得的數(shù)據(jù)可靠性。在這段時(shí)間內(nèi),表面張力雖然隨著時(shí)間不斷地下降,但呈現(xiàn)出代表不同速率的 “階段 (stages)”。

 

-4把圖-2的結(jié)果分成二個(gè)階段,以不同的時(shí)間尺度表達(dá)出來(lái),這樣不但可以看清楚起始階段的迅速變化,也可以同時(shí)看到變化過(guò)程的整體。在起始的4秒內(nèi)體系的表面張力值從約72mN/m迅速下降到約55mN/m,下降幅度約17mN/m;而在接下來(lái)的約400秒,表面張力值總共只下降了約3mN/m,到約52mN/m。其后的平衡值為約51.6mN/m。

表面張力-時(shí)間變化曲線

-3:表面張力-時(shí)間變化曲線: 起始1秒內(nèi)

表面張力-時(shí)間變化曲線

-4:表面張力-時(shí)間變化曲線: 分階段表達(dá)

從上面的測(cè)量可以看出,懸滴法非常適合動(dòng)態(tài)表面張力的測(cè)量,其短的可測(cè)量時(shí)間點(diǎn)約在30-50ms左右,長(zhǎng)時(shí)間端則無(wú)限制。如果把懸滴的形成時(shí)間轉(zhuǎn)換成有效界面壽命(effective surface age),并按照1/2-1/3經(jīng)驗(yàn)規(guī)則,那么對(duì)應(yīng)的短可測(cè)量有效界面壽命約為20ms,這已經(jīng)非常接近傳統(tǒng)的大氣泡壓力法。采用懸滴法進(jìn)行動(dòng)態(tài)表面張力測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)還在于:可以準(zhǔn)確地同時(shí)測(cè)定表面積隨時(shí)間的變化(見(jiàn)上面的圖),從這一變化曲線,可以準(zhǔn)確地計(jì)算出對(duì)應(yīng)的有效界面壽命,而這是傳統(tǒng)的大氣泡壓力法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。( 本文內(nèi)容得到授權(quán)所有者的授權(quán)許可) 

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