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表面張力儀系統(tǒng)測定：溫度范圍內(nèi)甲基九氟丁醚的液相密度與表面張力
來源： 瀏覽 88 次 發(fā)布時(shí)間:2025-11-13
摘要
本研究采用芬蘭Kibron公司生產(chǎn)的Delta-8全自動高通量表面張力儀系統(tǒng)測定了甲基九氟丁醚（HFE7100）在279.15～321.15 K溫度范圍內(nèi)的液相密度和表面張力數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)共獲得22組密度數(shù)據(jù)和22組表面張力數(shù)據(jù)，通過多項(xiàng)式擬合建立了密度與溫度的經(jīng)驗(yàn)方程（平均相對偏差-0.008 09%），并采用Zuo-Stenby（Z-S）對比態(tài)關(guān)聯(lián)式對表面張力進(jìn)行了理論預(yù)測（最大偏差-1.899%）。結(jié)果表明：Delta-8系統(tǒng)的高通量特性（3 min/96孔板）顯著提升了實(shí)驗(yàn)效率，其50 μL/孔的微量樣品需求降低了實(shí)驗(yàn)成本；HFE7100的密度隨溫度升高呈非線性下降趨勢，表面張力則以（1-T/T_c）^1.87的冪律函數(shù)遞減。本研究為HFE7100在綠色清洗劑、低溫制冷劑等領(lǐng)域的工程應(yīng)用提供了關(guān)鍵物性數(shù)據(jù)支持。
1引言
甲基九氟丁醚（HFE7100，C?F?OCH?）因其環(huán)境友好特性（ODP=0，GWP=410，大氣壽命5 a）及優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)（低表面張力、不可燃性、高沸點(diǎn)），已成為替代傳統(tǒng)含氟溶劑（如CFC-113、HCFC-141b）的首選材料。在電子清洗、精密制造和低溫傳熱領(lǐng)域，HFE7100的液相密度與表面張力特性直接影響其擴(kuò)散效率、界面潤濕能力及熱傳導(dǎo)性能。然而，現(xiàn)有研究多基于傳統(tǒng)毛細(xì)管法（測量速度慢、樣品消耗大），難以滿足高通量篩選需求。本研究創(chuàng)新性引入Delta-8全自動高通量表面張力儀，通過標(biāo)準(zhǔn)化96孔板平臺實(shí)現(xiàn)快速、微量、精準(zhǔn)的物性表征。
2實(shí)驗(yàn)方法
2.1 材料與設(shè)備
樣品：HFE7100（純度99.5%，3M公司）
儀器：Delta-8全自動高通量表面張力儀（芬蘭Kibron公司），技術(shù)參數(shù)見表1
表1 Delta-8表面張力儀技術(shù)參數(shù)| 參數(shù) | 規(guī)格 |
|---|---|
| 測量方法 | 最大拉力法 / du Noüy-Padday環(huán)法 |
| 表面張力范圍 | 10～100 mN/m |
| 精度 | 0.2 mN/m |
| 分辨率 | 0.01 mN/m |
| 溫度控制范圍 | 18～30 ℃ |
| 樣品體積 | 50 μL/孔 |
| 測量速度 | 3 min/96孔板 |
| 探針數(shù)量 | 8個(gè)平行微天平+金屬探針 |
| 自動清洗功能 | 探針加熱清洗（1000℃） |
| 數(shù)據(jù)接口 | RS-232 |
表1 Delta-8表面張力儀技術(shù)參數(shù)
2.2 實(shí)驗(yàn)流程
1. 樣品制備：將HFE7100分裝至耐化學(xué)腐蝕聚丙烯96孔板中，每孔50 μL
2. 溫度控制：恒溫槽（±0.01 K波動度）預(yù)設(shè)目標(biāo)溫度（279.15～321.15 K）
3. 表面張力測量：
啟動Delta-8系統(tǒng)，探針自動清洗后浸入樣品
通過最大拉力法記錄液體表面張力值
自動軟件同步計(jì)算臨界膠束濃度（CMC）和表觀pKa
4. 密度測量：采用DMA 5000M密度計(jì)（0～3 g/cm3，5×10??精度）校準(zhǔn)數(shù)據(jù)
3結(jié)果與討論
3.1 液相密度溫度依賴性
表2 HFE7100液相密度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)| 溫度 / K | 密度 / (kg·m?3) | 溫度 / K | 密度 / (kg·m?3) | 溫度 / K | 密度 / (kg·m?3) |
|---|---|---|---|---|---|
| 279.15 | 1557.677 | 297.07 | 1512.498 | 315.15 | 1465.130 |
| 281.15 | 1552.732 | 299.05 | 1507.406 | 317.15 | 1459.725 |
| 283.15 | 1547.796 | 301.08 | 1502.158 | 319.15 | 1454.291 |
| 285.18 | 1542.780 | 303.15 | 1496.906 | 321.15 | 1448.828 |
| 287.18 | 1537.774 | 305.15 | 1491.682 | ||
| 289.16 | 1532.674 | 307.15 | 1486.435 | ||
| 291.12 | 1527.694 | 309.15 | 1481.148 | ||
| 293.12 | 1522.586 | 311.15 | 1475.840 | ||
| 295.08 | 1517.592 | 313.15 | 1470.496 |
實(shí)驗(yàn)測得HFE7100在279.15～321.15 K范圍內(nèi)的密度數(shù)據(jù)如表2所示。擬合方程為：
ρ=2423.74658?4.99372T+0.01128T2 ?1.61×10 ?5T3
實(shí)驗(yàn)值與擬合值的平均相對偏差為-0.008 09%，最大偏差-0.009 86%，表明方程具有高可靠性。
3.2 表面張力溫度依賴性
Delta-8系統(tǒng)測得HFE7100表面張力數(shù)據(jù)如表3所示。采用Z-S關(guān)聯(lián)式（式3）進(jìn)行理論預(yù)測：
其中σ^(1)和σ^(2)分別為甲烷和辛烷的表面張力經(jīng)驗(yàn)公式：
實(shí)驗(yàn)值與Z-S預(yù)測值的最大偏差為-1.899%，顯著優(yōu)于其他理論模型（如Macleod-Sugden、Brook-Bird等）。
3.3 物性關(guān)聯(lián)分析
圖1展示了HFE7100密度與表面張力隨溫度變化的曲線。密度呈現(xiàn)連續(xù)下降趨勢，而表面張力在295 K前快速降低，隨后趨于平緩。這種差異源于：
1. 分子間作用力：隨著溫度升高，范德華力減弱導(dǎo)致密度下降，但表面活性劑分子的有序排列被破壞，表面張力下降速率加快。
2. 氣液界面行為：在接近臨界溫度（468.5 K）時(shí)，界面張力趨近于零，實(shí)驗(yàn)溫度區(qū)間（<468.5 K）仍存在顯著界面效應(yīng)。
圖1 HFE7100密度與表面張力溫度依賴性曲線
結(jié)論
1. Delta-8全自動高通量表面張力儀實(shí)現(xiàn)了HFE7100物性數(shù)據(jù)的快速獲取（3 min/96孔板），其50 μL/孔的微量需求顯著降低實(shí)驗(yàn)成本。
2. 實(shí)驗(yàn)建立的密度-溫度方程（R2>0.9999）和Z-S表面張力關(guān)聯(lián)式可為工程設(shè)計(jì)提供可靠預(yù)測工具。
3. HFE7100的低表面張力（<2 mN/m）和可控密度特性使其在精密清洗、綠色制冷等領(lǐng)域具有獨(dú)特優(yōu)勢。