Povrchové napätie
Povrchové napätie σ (sigma) je vlastnosť kvapaliny (napr. voda) na rozhraní s plynom (napr. vzduch). Je dôležitý parameter v mnohých priemyselných procesoch, napr. pri zmáčaní povrchov.
V kvapaline na seba molekuly pôsobia navzájom. Kohézne sily spôsobujú, že sa molekuly priťahujú. Tieto kohézne sily vytvárajú napätie na povrchu kvapaliny, podobne ako koža, ktorá sa vždy snaží udržať povrchovú plochu čo najmenšiu. Tento efekt je obzvlášť zreteľný v kvapkách vody, ktorých guľatý tvar vzniká práve týmito dovnútra smerujúcimi silami.
Povrchové napätie sa opisuje ako práca, ktorá musí byť vykonaná na zväčšenie povrchovej plochy o určitú hodnotu:
Povrchové napätie sa zvyčajne vyjadruje v mN/m alebo dyne/cm. Povrchové napätie vody pri 20 °C je 72,75 mN/m (porov. etanol 22,55 mN/m). Pre mnohé aplikácie s vodou je potrebné povrchové napätie znížiť. Na tento účel sa používajú tenzidy.
Tenzidy
PovrTenzidy sú skupina chemických zlúčenín, ktoré sa skladajú z dvoch protichodných častí molekuly: nepolárnej, hydrofóbnej uhlovodíkovej časti (na obrázku zobrazená žlto) a polárnej, hydrofilnej hlavy (na obrázku zobrazená modro). V závislosti od typu hlavy existujú neiónové, aniónové, katiónové a amfotérne tenzidy. Neiónové a aniónové tenzidy sa používajú hlavne v aplikáciách na čistenie vodných povrchov. Katiónové tenzidy sa zvyčajne používajú v avivážach alebo ako povrchové odpudzovače vody. Amfotérne tenzidy sa nachádzajú v mnohých produktoch na čistenie pokožky a vlasov.
Tieto dve časti molekuly sa k vode správajú veľmi odlišne: hydrofóbna časť vodu odpudzuje, zatiaľ čo hydrofilná časť je k vode priťahovaná. Vďaka týmto protichodným častiam sa tenzidy v prostredí s vodou presúvajú na povrchy.
Takéto povrchy zahŕňajú rozhrania ako voda-vzduch, voda-pevná látka alebo voda-olej. Na povrchu tenzidy zaujímajú miesta medzi molekulami vody, narušujú kohéziu a tým znižujú povrchové napätie. Toto správanie je známe ako povrchová aktivita. Pohyb tenzidov k povrchu je závislý na čase a je ovplyvnený typom a koncentráciou tenzidu, teplotou a okolitou kvapalinou (matricové efekty).
Povrchovo aktívne správanie tenzidov, tiež známych ako zmáčacie činidlá, sa úmyselne využíva v rôznych technických aplikáciách na dosiahnutie rôznych efektov, ako sú:
- Zmáčanie povrchov
- Odstraňovanie olejov a tukov z povrchov
- Emulgácia oleja vo vode a disperzia pigmentov atď.
- Tvorba alebo prevencia peny
- Tvorba kvapiek a úprava ich veľkosti
Keďže tenzidy znižujú povrchové napätie, možno z nameraného povrchového napätia určiť obsah voľných tenzidov, ktoré sú k dispozícii pre technické aplikácie.
Metóda tlakovej bubliny
Metódy merania povrchového napätia musia zámerne zväčšiť povrchovú plochu, zvyčajne ťahom alebo tlakom. V metóde tlakovej bubliny sa to dosahuje vytvorením vzduchovej bubliny na konci kapiláry. Všetky tensiometre SITA pracujú touto metódou, čo zaručuje, že merania sú porovnateľné.
Vzduch sa do kvapaliny zavádza cez kapiláru a na špičke kapiláry sa tvorí vzduchová bublina. Tlak vo vzduchovom prúde / kapiláre sa neustále meria. Vzduchová bublina prechádza troma fázami:
- Krátko po odtrhnutí bubliny od kapiláry kapilárny efekt vtiahne povrch kvapaliny do kapiláry, čo vytvára minimálny tlak.
- Ako sa zavádza viac vzduchu, bublina sa nafukuje, kým sa polomer bubliny nevyrovná polomeru kapiláry, dosahujúc maximálny tlak. Táto fáza sa nazýva hemisférická bublina.
- Pri ďalšom zavádzaní vzduchu sa bublina rýchlo zväčšuje, objem sa zvyšuje a tlak klesá. Krátko nato sa bublina odtrhne od kapiláry a cyklus sa opakuje.
Rozdiel medzi minimálnym tlakom pminp_{min}pmin a maximálnym tlakom pmaxp_{max}pmax je úmerný povrchovému napätiu σ podľa Young-Laplaceovej rovnice:
Kalibračný faktor k zahŕňa dynamické vlastnosti kvapaliny v kapiláre a systémové parametre tensiometra, ktoré sa určujú počas kalibrácie. Tento systémový faktor k sa vyhodnocuje na základe rôznych životností bubliny tlifet_{life}tlife počas viacbodovej kalibrácie.
Poznámka:
Hĺbka ponoru kapiláry pri metóde tlakovej bubliny hrá malú úlohu a môže sa zanedbať, pretože rovnakým spôsobom ovplyvňuje meraný minimálny aj maximálny tlak.
Dynamické a statické povrchové napätie
Tensiometre SITA používajú metódu tlakovej bubliny na meranie povrchového napätia. Pri tejto metóde namerané dynamické povrchové napätie vždy závisí od parametra životnosti bubliny tlifet_{life}tlife, ktorý zodpovedá času zmáčania alebo veku povrchu. Metóda tlakovej bubliny je klasifikovaná ako dynamická meracia metóda.
Ďalšie dynamické meracie metódy zahŕňajú metódu objemu kvapky s použitím stalagmometra alebo interfacialnu reológiu so závesnou kvapkou. Metódy na meranie statického povrchového napätia zahŕňajú metódu prstenca Du Noüy a metódu Wilhelmyho platne.
Pri dynamických metódach, ako je tensiometria tlakovej bubliny, sa kvázi-statická hodnota povrchového napätia dosahuje v porovnaní so statickými metódami len pri vysokých koncentráciách tenzidov alebo po dlhých životnostiach bubliny tlifet_{life}tlife. Preto je potrebná jasná korelácia medzi povrchovým napätím a koncentráciou, ktorá je potrebná na určenie koncentrácie, prítomná aj nad kritickou micelárnou koncentráciou (cmc). Pri meraní povrchového napätia kvapalín bez tenzidov alebo povrchovo neaktívnych kvapalín (napr. rozpúšťadiel) neexistuje rozdiel medzi dynamickými a statickými metódami.
Ak je povrchové napätie uvedené v meracích špecifikáciách alebo literatúre bez uvedenia ŽIVOTNOSTI povrchu alebo parametra životnosti bubliny tlifet_{life}tlife, predpokladá sa, že ide o statické povrchové napätie.
