Wat is oppervlaktespanning
Oppervlaktespanning wordt gedefinieerd als het werk, dW, vereist om een oppervlak uit te breiden met dA. Het is dus een directe maat voor de energie die nodig is om een nieuw oppervlak van een oppervlakte-eenheid te vormen, d.w.z. oppervlakte-energie. Oppervlaktespanning is een kenmerk van elk oppervlak of grensvlak, maar is alleen direct meetbaar voor vloeistoffen. Oppervlaktespanning is het resultaat van richtingafhankelijke krachten van moleculen die zich op of dichtbij het grensvlak bevinden. Oppervlaktespanning wordt over het algemeen uitgedrukt in N / m (SI-eenheid).
Polaire oplosmiddelen hebben doorgaans een hogere oppervlaktespanning dan hun niet-polaire tegenhangers. De hoge oppervlaktespanning van water (72,8 mN / m bij 20 ° C) is bijvoorbeeld het gevolg van de sterke intermoleculaire waterstofbinding (elektrostatische interactie tussen de gedeeltelijk positieve waterstofatomen en het gedeeltelijk negatieve zuurstofatoom van een naburig watermolecuul). Hoe zwakker de intermoleculaire krachten zijn, hoe lager de oppervlaktespanning is (bijv. Octaan heeft een oppervlaktespanning van 21,6 mN / m). Gewoonlijk wordt de term “grensvlakspanning” gebruikt voor de spanning tussen twee vloeistoffen, terwijl “oppervlaktespanning” algemener is en meestal verwijst naar een gas-vloeistofgrensvlak.
Bekijk onze oppervlaktetensiometers “
Wanneer is oppervlaktespanning relevant
Oppervlaktespanning beïnvloedt eigenschappen in een systeem. Hoe kleiner de afmetingen van een systeem, hoe kritischer de oppervlaktespanning wordt. Voorbeelden zijn onder meer emulsies, nevels en schuimen, nucleatie & fasevorming. Oppervlaktespanning is ook relevant op grotere schaal, met name bij bevochtiging, adhesie en meniscusvorm. Wanneer de afmetingen in het micro- tot millimeterbereik liggen, wordt de dynamiek bepaald door een balans tussen viscositeit, dichtheid en oppervlaktespanning. Bovendien is oppervlaktespanning een gemakkelijk te meten parameter voor kwaliteitscontrole.
Oppervlakteactieve stoffen
Oppervlakteactieve stoffen zijn moleculen die zich verrijken aan oppervlakken of grensvlakken, d.w.z. adsorberen aan het grensvlak. In het algemeen bevatten oppervlakteactieve stoffen hydrofiele en hydrofobe delen, en daarom kan in waterige oplossingen watercontact met de hydrofobe delen worden vermeden door zich aan het oppervlak met de hydrofobe delen naar de lucht te richten. Adsorptie van oppervlakteactieve stoffen verlaagt de oppervlaktespanning. Dit fenomeen wordt vaak gebruikt om de bevochtiging te verbeteren. Klik op de afbeelding hieronder voor meer informatie over adsorptie en oppervlaktespanning.
Oppervlakteactieve stoffen vertonen een andere belangrijke eigenschap, namelijk zelfassemblage tot micellen. Micellering lijkt op fasevorming, omdat veel oppervlakteactieve stoffen één micel vormen. Micellering vindt dus plaats over een vrij smal concentratiebereik (kritische micelconcentratie, CMC), en verdere toevoeging van oppervlakteactieve stof verhoogt de micelconcentratie in plaats van de concentratie van oppervlakteactieve monomeren. Dientengevolge neemt de oppervlaktespanning af met toenemende totale concentratie van oppervlakte-actieve stof tot CMC, en blijft dan constant. Oppervlaktespanningmeting is dus een gemakkelijke manier om micellatie te bestuderen.
Oppervlaktespanning meten
Er zijn verschillende methoden ontwikkeld om oppervlaktespanning te meten. Bij optische technieken wordt de vorm van een druppel of meniscus meestal met een computer geanalyseerd. De vorm veronderstelt een mechanisch evenwicht tussen de krachten die op de vloeistof inwerken, d.w.z. oppervlaktespanning en gravitatiekrachten. Om nauwkeurige resultaten te verkrijgen, moet de optische opstelling goed worden gekalibreerd en bovendien moet de omtrek van de druppel exact worden bepaald.
Bij beldruktensiometrie gebruikt men het feit dat de druk in een bel hoger is dan buiten de druppel vanwege oppervlaktespanning. De oppervlaktespanning kan worden berekend uit het drukverschil als de straal en druppelvormen bekend zijn. Met een paar eenvoudige aannames, kan men gebruiksvriendelijke en robuuste instrumenten bouwen die zeer geschikt zijn voor grove meting van oppervlaktespanning door gewoon een buis in de oplossing te dompelen. Stalagometrie is een variatie op de techniek van bellendruk. In plaats van het drukverschil te meten, wordt het feit dat de stroomsnelheid van een vloeistof door een capillair bepaald wordt door de zwaartekracht die wordt tegengewerkt door de stroperige kracht en de tegendruk van de druppel aan het uiteinde van het capillair.
De oudste techniek om oppervlaktespanning te meten, is het meten van de kracht die wordt uitgeoefend door een vloeistof op een sonde. Krachttensiometrie-technieken zijn redelijk exact, op voorwaarde dat de contacthoek bij de sonde bekend is. Door een goed bevochtigd materiaal te kiezen en aan te nemen dat de contacthoek nul is. Voor waterige oplossingen impliceert dit het gebruik van een hydrofiel materiaal. Het meest voorkomende materiaal is platina.Experimenten uitgevoerd onder gecontroleerde en inerte atmosfeer hebben aangetoond dat water inderdaad platina volledig nat maakt. Veel verbindingen die in de omgevingslucht worden aangetroffen, adsorberen echter sterk aan platina, het effect is al binnen enkele minuten na het branden waarneembaar. Daarom moet de sonde onmiddellijk na het reinigen in de gemeten vloeistof worden ondergedompeld.
De Dyneprobe van Kibron is gebaseerd op een hydrofiel oxide. Bij vlamreiniging met een hete vlam wordt de oxidelaag geactiveerd tot een zeer hydrofiele toestand. Het is stabieler voor luchtverontreinigingen dan platina, maar passiveert met de tijd. Daarom kunnen de juiste procedures voor het reinigen van vlammen niet worden vermeden. Er zijn twee subtechnieken van krachttensiometrie, namelijk de Wilhelmy- en DuNouy-methoden. Bij de Wilhelmy-methode wordt de sonde stil gehouden in de interface, bij voorkeur met het onderste uiteinde op niveau met de interface (op grote afstand). Op dit punt is het niet nodig om het drijfvermogen te corrigeren. Zowel zogenaamde Wilhelmy-platen als staafvormige sondes kunnen worden gebruikt om de meting uit te voeren.
 |
 |
| DuNouy-methode | Wilhelmy-methode |
In de DuNouy-methode (maximale trekkracht) wordt de oppervlaktespanning geregistreerd terwijl de sonde langzaam is teruggetrokken uit de vloeistof. De sonde is meestal een DuNouy-ring of een verticale staaf. De beweging van de sonde verschaft met voordeel een terugwijkende contacthoek, die de neiging heeft kleiner te zijn dan de rustcontacthoek. Het nadeel van de techniek is de noodzaak om rekening te houden met de term negatief drijfvermogen die overeenkomt met het punt van maximale kracht waar de sonde zich volledig boven het oppervlak bevindt. Voor sondes met dunne staaf is de term drijfvermogen relatief klein en gemakkelijk te corrigeren, terwijl voor ringen de term drijfvermogen significant is en de berekening ervan gecompliceerd wordt door de dwarsdoorsnedevorm van de ring.
Bekijk onze oppervlaktetensiometers ”