Povrchové napětí
Povrchové napětí σ (sigma) je vlastnost kapaliny (např. vody) na rozhraní s plynem (např. vzduchem). Je důležitým parametrem v mnoha průmyslových procesech, např. při smáčení povrchů.
V kapalině na sebe molekuly vzájemně působí. Kohezní síly způsobují, že se molekuly přitahují. Tyto kohezní síly vytvářejí napětí na povrchu kapaliny, podobně jako blána, která se vždy snaží udržet povrchovou plochu co nejmenší. Tento efekt je obzvlášť patrný u kapek vody, jejichž kulatý tvar vzniká právě těmito dovnitř směřujícími silami.
Povrchové napětí se popisuje jako práce, která musí být vykonána pro zvětšení povrchové plochy o určitou hodnotu:
Povrchové napětí se obvykle vyjadřuje v mN/m nebo dyne/cm. Povrchové napětí vody při 20 °C je 72,75 mN/m (srov. ethanol 22,55 mN/m). Pro mnohé aplikace s vodou je nutné povrchové napětí snížit. K tomuto účelu se používají tenzidy.
Tenzidy
Tenzidy jsou skupina chemických sloučenin, které se skládají ze dvou protichůdných částí molekuly: nepolární, hydrofobní uhlovodíkové části (na obrázku znázorněná žlutě) a polární, hydrofilní hlavy (na obrázku znázorněná modře). V závislosti na typu hlavy existují neiontové, aniontové, kationtové a amfoterní tenzidy. Neiontové a aniontové tenzidy se používají především v aplikacích na čištění vodních povrchů. Kationtové tenzidy se obvykle používají v avivážích nebo jako povrchové odpuzovače vody. Amfoterní tenzidy se nacházejí v mnoha produktech na čištění pokožky a vlasů.
Tyto dvě části molekuly se k vodě chovají velmi odlišně: hydrofobní část vodu odpuzuje, zatímco hydrofilní část je k vodě přitahována. Díky těmto protichůdným částem se tenzidy v prostředí s vodou přesouvají na povrchy.
Takovéto povrchy zahrnují rozhraní jako voda–vzduch, voda–pevná látka nebo voda–olej. Na povrchu tenzidy zaujímají místa mezi molekulami vody, narušují kohezi a tím snižují povrchové napětí. Toto chování je známé jako povrchová aktivita. Pohyb tenzidů k povrchu závisí na čase a je ovlivněn typem a koncentrací tenzidu, teplotou a okolní kapalinou (matricové efekty).
Povrchově aktivní chování tenzidů, také známých jako smáčecí činidla, se cíleně využívá v různých technických aplikacích k dosažení různých efektů, jako jsou:
- Smáčení povrchů
- Odstraňování olejů a tuků z povrchů
- Emulgace oleje ve vodě a disperze pigmentů atd.
- Tvorba nebo prevence pěny
- Tvorba kapek a úprava jejich velikosti
Jelikož tenzidy snižují povrchové napětí, lze z naměřeného povrchového napětí určit obsah volných tenzidů, které jsou k dispozici pro technické aplikace.
Metoda tlakové bubliny
Metody měření povrchového napětí musí záměrně zvětšit povrchovou plochu, obvykle tahem nebo tlakem. U metody tlakové bubliny se toho dosahuje vytvořením vzduchové bubliny na konci kapiláry. Všechny tensometry SITA pracují touto metodou, což zaručuje, že měření jsou srovnatelná.
Vzduch se do kapaliny zavádí přes kapiláru a na špičce kapiláry se tvoří vzduchová bublina. Tlak ve vzduchovém proudu / kapiláře se neustále měří. Vzduchová bublina prochází třemi fázemi:
- Krátce po odtržení bubliny od kapiláry kapilární efekt vtáhne povrch kapaliny do kapiláry, což vytváří minimální tlak.
- Jak se zavádí více vzduchu, bublina se nafukuje, dokud se poloměr bubliny nevyrovná poloměru kapiláry, čímž dosáhne maximálního tlaku. Tato fáze se nazývá hemisférická bublina.
- Při dalším zavádění vzduchu se bublina rychle zvětšuje, objem se zvyšuje a tlak klesá. Krátce nato se bublina odtrhne od kapiláry a cyklus se opakuje.
Rozdíl mezi minimálním tlakem pminp_{min}pmin a maximálním tlakem pmaxp_{max}pmax e úměrný povrchovému napětí σ podľa Young-Laplaceovej rovnice:
Kalibrační faktor kkk zahrnuje dynamické vlastnosti kapaliny v kapiláře a systémové parametry tensiometru, které se určují během kalibrace. Tento systémový faktor kkk se vyhodnocuje na základě různých životností bubliny {life}life během vícebodové kalibrace.
Poznámka:
Hloubka ponoru kapiláry při metodě tlakové bubliny hraje malou roli a může být zanedbána, protože stejným způsobem ovlivňuje jak měřený minimální, tak i maximální tlak.
Dynamické a statické povrchové napětí
Tensiometry SITA používají metodu tlakové bubliny k měření povrchového napětí. U této metody naměřené dynamické povrchové napětí vždy závisí na parametru životnosti bubliny tlifet_{life}, který odpovídá času smáčení nebo stáří povrchu. Metoda tlakové bubliny je klasifikována jako dynamická měřicí metoda.
Další dynamické měřicí metody zahrnují metodu objemu kapky s použitím stalagmometru nebo interfaciální reologii se zavěšenou kapkou. Metody pro měření statického povrchového napětí zahrnují metodu prstence Du Noüy a metodu Wilhelmyho destičky.
Při dynamických metodách, jako je tensiometrie tlakové bubliny, se kvazi-statická hodnota povrchového napětí dosahuje ve srovnání se statickými metodami pouze při vysokých koncentracích tenzidů nebo po dlouhých životnostech bubliny {life}. Proto je nutná jasná korelace mezi povrchovým napětím a koncentrací, která je nezbytná pro určení koncentrace, přítomná i nad kritickou micelární koncentrací (cmc). Při měření povrchového napětí kapalin bez tenzidů nebo povrchově neaktivních kapalin (např. rozpouštědel) neexistuje rozdíl mezi dynamickými a statickými metodami.
Pokud je povrchové napětí uvedeno v měřicích specifikacích nebo literatuře bez uvedení ŽIVOTNOSTI povrchu nebo parametru životnosti bubliny {life} předpokládá se, že se jedná o statické povrchové napětí.
