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基于懸滴法測量硅油黏滯液體的表面張力系數(shù)——結(jié)果與討論、結(jié)論

來源:大學(xué)物理實(shí)驗(yàn) 瀏覽 402 次 發(fā)布時間:2025-02-11

2實(shí)驗(yàn)部分


實(shí)驗(yàn)采用SL200A型接觸角儀來產(chǎn)生液滴,獲取液滴圖像。該儀器的主機(jī)如圖2所示,主要組成部件為:光源控制部件(可調(diào)亮度LED光源)、CCD鏡頭(75 mm焦距,25幀/秒)、進(jìn)樣器控制部件(可升降12.5 mm,0.01 mm微距)、樣品臺部件(樣品臺面50×50 mm)、圖像采集卡(25幀/秒)、手動控制微量進(jìn)樣器(10、25、50μL)。實(shí)驗(yàn)采用表面張力與接觸角分析系統(tǒng)的CAST2.0軟件控制拍攝過程。采用連續(xù)拍攝方式,圖像采集速率為25幀/s,連拍100幀,獲取液滴圖像。實(shí)驗(yàn)樣品為黏度系數(shù)為50 mm2/s、100 mm2/s、350 mm2/s、500 mm2/s的硅油,其中黏度系數(shù)為50 mm2/s、100 mm2/s的硅油密度σ為965 kg/m3,黏度系數(shù)為350 mm2/s、500 mm2/s的硅油密度σ為970 kg/m3[14]。

圖2 SL200A型接觸角儀主機(jī)


3結(jié)果與討論


3.1液滴的形成與選擇


由于液滴形態(tài)是影響表面張力測量準(zhǔn)確度的重要因素,液滴的控制與選擇是提高測量準(zhǔn)確度的關(guān)鍵步驟。圖3為采用10μL微量進(jìn)樣器緩慢增加液體量時的液滴形態(tài)照片,樣品為黏度系數(shù)50 mm2/s的硅油,其中圖3(a)為液滴剛形成時的形態(tài)圖像,圖3(d)為液滴下落前平衡時的形態(tài)圖像,圖3(e)為液滴下落時的形態(tài)圖像。根據(jù)照片得到懸停液滴的形狀因子S=ds/de分別為:(a)0.746;(b)0.744;(c)0.744;(d)0.739,因此,隨著液滴中液體量的增加,懸滴從近球形變化為橢球形,形狀因子稍稍減小。根據(jù)式(3)計算得到不同液滴形態(tài)下的硅油表面張力系數(shù),分別為:(a)0.019 1 N/m、(b)0.019 2 N/m、(c)0.019 5 N/m、(d)0.019 7 N/m。由此可見,對于同一種液體,當(dāng)液滴處于不同形態(tài)時,計算得到的表面張力系數(shù)存在差別。根據(jù)文獻(xiàn)[14],黏度系數(shù)50 mm2/s的線性結(jié)構(gòu)甲基硅油的表面張力系數(shù)為0.020 5 N/m,因此,對于不同形態(tài)的液滴,測量的相對誤差分別為:(a)6.8%;(b)6.3%;(c)4.9%;(d)3.9%。結(jié)果表明,當(dāng)液滴達(dá)到下落前的臨界狀態(tài)時,測量的相對誤差最小。實(shí)驗(yàn)還采用了25、50μL的微量進(jìn)樣器來產(chǎn)生液滴,發(fā)現(xiàn)由于每次液體量的增加較多,表面張力和重力相平衡的臨界狀態(tài)較難控制,難于形成較好的懸滴。因此,采用懸滴法測量液體表面張力系數(shù)時,通過小容量(例如10μL)的微量進(jìn)樣器控制液滴形態(tài),選擇液滴下落前平衡時的形態(tài)圖像,可以減小測量的相對誤差,獲得接近真實(shí)值的表面張力系數(shù)。

圖3液滴從形成到下落瞬間的形態(tài)照片


3.2硅油黏滯性對表面張力的影響


根據(jù)液滴的形成過程,實(shí)驗(yàn)選用液滴下落前的臨界懸停狀態(tài)圖像,進(jìn)一步測量了不同黏滯性硅油的表面張力系數(shù),圖4為黏度系數(shù)為50、100、350和500 mm2/s硅油樣品的懸滴形態(tài)照片。

(a)50 mm2/s(b)100 mm2/s(c)350 mm2/s(d)500 mm2/s


根據(jù)照片得到懸停液滴的形狀因子S分別為:(a)0.746;(b)0.757;(c)0.778;(d)0.789,由式(3)計算得到硅油樣品的表面張力系數(shù)分別為:(a)0.019 7 N/m;(b)0.019 9 N/m;(c)0.020 1 N/m;(d)0.021 3 N/m。與線性結(jié)構(gòu)甲基硅油的表面張力系數(shù)(50 mm2/s的硅油為0.020 5 N/m,350 mm2/s的硅油為0.021 1 N/m[14])相比較,測量的相對誤差分別為3.9%、4.7%,接近懸滴法測量液體表面張力系數(shù)所能達(dá)到的最大精度(相對誤差為2%~3%)[13]。根據(jù)測量結(jié)果,得到硅油表面張力系數(shù)隨其黏滯系數(shù)的變化關(guān)系,如圖5所示??梢姽栌捅砻鎻埩ο禂?shù)隨著黏度系數(shù)的增加稍稍增大,硅油黏滯性對其表面張力稍有影響。這種影響與液體內(nèi)部分子之間的相互作用有關(guān)。隨著液體黏滯性增加,液體的流動性變差,液體表面對液體分子的約束作用增強(qiáng),導(dǎo)致其表面張力增大。

黏滯系數(shù)/(mm2·s-1)


4結(jié)論


本實(shí)驗(yàn)采用懸滴法開展了硅油黏滯液體表面張力的測量技術(shù)探究。通過微量進(jìn)樣控制技術(shù),并采用動態(tài)過程的連續(xù)圖像采集方法,獲得了不同液體量時的液滴形態(tài)變化,利用表面張力和重力相平衡的臨界狀態(tài)液滴照片,測量了不同黏滯性硅油的表面張力系數(shù),測量數(shù)據(jù)的相對誤差為4%左右,接近懸滴法測量液體表面張力系數(shù)的最大精度。在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的拉脫法實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,進(jìn)一步開展黏滯液體表面張力的懸滴法測量探究,對于拓展大學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?,具有重要作用?


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