Mikä on pintajännitys
Pintajännitteeksi määritellään työ, dW, jota tarvitaan pinnan laajentamiseen dA: lla. Se on siis suora mitta energiasta, joka tarvitaan uuden pinta-alayksikön eli pintaenergian muodostamiseen. Pintajännitys on minkä tahansa pinnan tai rajapinnan ominaisuus, mutta se on suoraan mitattavissa vain nesteille. Pintajännitys johtuu rajapinnalla tai sen lähellä sijaitsevien molekyylien suunnasta riippuvista voimista. Pintajännitys ilmaistaan yleensä N / m (SI-yksikkö).
Tyypillisesti polaarisilla liuottimilla on suurempi pintajännitys kuin niiden ei-polaarisilla vastineilla. Esimerkiksi veden suuri pintajännitys (72,8 mN / m 20 ° C: ssa) johtuu vahvasta molekyylien välisestä vetysidoksesta (sähköstaattinen vuorovaikutus naapurimaassa olevan vesimolekyylin osittain positiivisten vetyjen ja osittain negatiivisten happiatomien välillä). Mitä heikompia molekyylien väliset voimat ovat, sitä pienempi pintajännitys on (esim. Oktaanin pintajännitys on 21,6 mN / m). Tavallisesti termiä ”rajapintajännitys” käytetään kahden nesteen väliseen jännitteeseen, kun taas ”pintajännitys” on yleisempi ja viittaa yleensä kaasu-neste-rajapintaan.
Katso pinnan tensiometrit ”
Milloin pintajännitys on olennaista
Pintajännitys vaikuttaa järjestelmän ominaisuuksiin. Mitä pienemmät järjestelmän mitat ovat, sitä kriittisempi pintajännitys tulee. Esimerkkejä ovat emulsiot, sumut ja vaahdot, ydintämisvaiheen muodostuminen. & Pintajännitys on merkityksellinen myös suuremmissa mittakaavoissa, erityisesti kostutuksessa, tarttuvuudessa ja meniskin muodossa. Kun mitat ovat mikro-millimetrialueella, dynamiikka saadaan viskositeetin, tiheyden ja pintajännityksen tasapainolla. Lisäksi pintajännitys on helposti mitattava parametri laadunvalvonnassa.
Pinta-aktiiviset aineet
Pinta-aktiiviset aineet ovat molekyylejä, jotka rikastuvat pinnoilla tai rajapinnoilla, eli adsorboituvat rajapinnassa. Yleensä pinta-aktiiviset aineet sisältävät hydrofiilisiä ja hydrofobisia osia, ja siten vesiliuoksissa voidaan välttää vesikontakti hydrofobisten osien kanssa järjestämällä pintaan hydrofobisten osien kanssa kohti ilmaa. Pinta-aktiivisen aineen adsorptio alentaa pintajännitystä. Tätä ilmiötä käytetään usein kostutuksen parantamiseen. Napsauta alla olevaa kuvaa saadaksesi lisätietoja adsorptiosta ja pintajännityksestä.
Pinta-aktiivisilla aineilla on toinen tärkeä ominaisuus, nimittäin itsekokoonpano miselleiksi. Mitsellaatio muistuttaa faasin muodostumista, koska monet pinta-aktiiviset aineet muodostavat yhden misellin. Siten misellaatio tapahtuu melko kapealla pitoisuusalueella (kriittinen misellipitoisuus, CMC), ja pinta-aktiivisen aineen lisäys lisää misellipitoisuutta pikemminkin kuin pinta-aktiivisten aineiden monomeerien pitoisuus. Näin ollen pintajännitys pienenee pinta-aktiivisen aineen kokonaispitoisuuden kasvaessa CMC: hen saakka ja pysyy sitten vakiona. Pintajännityksen mittaus on siten kätevä tapa tutkia misellaatiota.
Pintajännityksen mittaus
Pintajännityksen mittaamiseksi on kehitetty useita menetelmiä. Optisissa tekniikoissa pisaran tai meniskin muoto analysoidaan yleensä tietokoneella. Muoto olettaa mekaanisen tasapainon nesteeseen vaikuttavien voimien eli pintajännityksen ja painovoimien välillä. Tarkkojen tulosten saamiseksi optinen kokoonpano on kalibroitava hyvin ja lisäksi pisaran ääriviivat on määritettävä tarkasti.
Kuplapaineen tensiometriassa käytetään sitä, että paine kuplan sisällä on suurempi kuin pisaran ulkopuolella johtuen pintajännityksestä. Pintajännitys voidaan laskea paine-erosta, jos säteen ja pisaran muodot tunnetaan. Muutamalla yksinkertaisella oletuksella voidaan rakentaa helppokäyttöinen ja kestävä instrumentointi, joka soveltuu hyvin pintajännityksen karkeaan mittaamiseen pelkästään upottamalla putki liuokseen. Stalagometria on muunnos kuplapainetekniikasta. Paine-eron mittaamisen sijasta tosiasia, että nesteen virtausnopeus kapillaarin läpi määräytyy painovoimien avulla, joita viskoosivoima ja kapillaarin kärjen pisaran vastapaine vastustavat.
Vanhin tekniikka pintajännityksen mittaamiseksi on mitata nesteen anturiin kohdistama voima. Voiman tensiometriatekniikat ovat melko tarkkoja edellyttäen, että kosketuskulma koettimessa tunnetaan. Valitsemalla hyvin kostutettu materiaali ja olettaen, että kosketuskulma on nolla. Vesiliuoksille tämä merkitsee hydrofiilisen materiaalin käyttöä. Yleisin materiaali on platina.Kontrolloidussa ja inertissä ilmakehässä tehdyt kokeet ovat osoittaneet, että vesi todellakin kastelee platinan kokonaan. Monet ympäröivässä ilmassa olevat yhdisteet adsorboituvat kuitenkin voimakkaasti platinaan, vaikutus on havaittavissa muutamassa minuutissa liekin palamisesta. Siksi koetin tulisi upottaa mitattuun nesteeseen heti puhdistuksen jälkeen.
Kibronin Dyneprobe perustuu hydrofiiliseen oksidiin. Kun liekki puhdistetaan kuumalla liekillä, oksidikerros aktivoituu hyvin hydrofiiliseen tilaan. Se on vakaampi ilmassa olevien epäpuhtauksien suhteen kuin Platinum, mutta passiivistuu ajan myötä. Siksi asianmukaista liekinpuhdistusmenettelyä ei voida välttää. Voiman tensiometrialla on kaksi alatekniikkaa, nimittäin Wilhelmy- ja DuNouy-menetelmät. Wilhelmy-menetelmässä koetin pidetään edelleen rajapinnassa, ensisijaisesti alemman tason kanssa liitännän kanssa (kaukana). Tässä vaiheessa ei tarvitse nosteen korjauksia. Sekä ns. Wilhelmy-levyjä että sauvan muotoisia koettimia voidaan käyttää mittaukseen.
 |
 |
| DuNouy-menetelmä | Wilhelmy-menetelmä |
DuNouy (suurin vetovoima) -menetelmässä pintajännitys kirjataan, kun anturi hitaasti vedetty nesteestä. Koetin on yleensä DuNouy-rengas tai pystytanko. Koettimen liike tarjoaa edullisesti taantuvan kosketuskulman, joka on yleensä pienempi kuin lepokontaktikulma. Tekniikan haittana on tarve ottaa huomioon negatiivisen kelluvuuden termi, joka vastaa suurimman voiman pistettä, jossa koetin on täysin pinnan yläpuolella. Ohuiden sauvojen koettimien kellumisaika on suhteellisen pieni ja helppo korjata, kun taas renkailla kelluvuusaste on merkittävä ja sen laskennan monimutkainen renkaan poikkileikkauksen muodon avulla.
Katso pinnan tensiometrit ”