Kapillarer Anstieg
Die übliche direkte Messung der Kontaktwinkel eines Flüssigkeitstropfens auf einem flachen und glatten Feststoff ist nicht auf Pulver und trockene poröse Lebensmittel anwendbar. Die übliche Methode zur Messung des Kontaktwinkels beim Kapillaranstieg in porösen Medien ist die Verwendung der Lucas-Washburn-Gleichung, die aus dem Poiseulle-Gesetz des Flüssigkeitsflusses beim Kapillaranstieg abgeleitet wird:
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Wo:
- h – Höhe der aufsteigenden Flüssigkeit
- w – Gewichtszunahme der Probe (verursacht durch das darin absorbierte Wasser)
- γ – Oberflächenspannung der getesteten Flüssigkeit (N/m)
- ρ – Dichte der getesteten Flüssigkeit (kg/m3)
- θ – Kontaktwinkel der Flüssigkeit auf dem Feststoff (N/m)
- r – mittlerer statischer Radius der Poren (m)
- η – Flüssigkeitsviskosität (Pa s)
- c – geometrischer Faktor (m5)
Die übliche Methode zur Messung der Kontaktwinkel in diesem Fall ist die Durchführung von Kapillaranstiegsexperimenten, bei denen Ihre Probe unter einer Waage aufgehängt und in die getestete Flüssigkeit getaucht wird. Der Hauptmangel dieses Ansatzes (unter Verwendung der Washburn-Gleichung) ist seine Unfähigkeit, zwischen diesen beiden Variablen (r und cos θ oder c und cos θ) zu trennen. Die übliche Methode, um das Problem des unbekannten Terms r • cos (θ) zu überwinden, besteht darin, eine Referenzflüssigkeit zu verwenden, die die Probe vollständig benetzt (θ = 0, cos (θ) = 1). Es hat sich jedoch gezeigt, daß der dynamische Vorschubkontaktwinkel auch bei einer Gesamtbenetzungsflüssigkeit im Allgemeinen größer ist als der statische, so daß dieses Verfahren fehlerhaft sein kann.
Seibold et al. (2000) schlugen einen Weg vor, dieses Problem zu überwinden. Es wurde beobachtet, dass dieser konstante Term in Abhängigkeit von der verwendeten Flüssigkeit variiert, im Gegensatz zum Washburn-Ansatz, der Hexan als vollständig benetzende Flüssigkeit verwendet, um den Radius der Poren zu finden. In dieser Studie wurde vorgeschlagen, den tatsächlichen konstanten Term r in der Washburn-Gleichung zu erhalten, indem der gemessene Wert r cos θ gegen die Anstiegsrate der Alkane (die Steigung in den Gleichungen \ ref {4} und \ ref{5}) aufgetragen wird. Der Achsenabschnitt bei Geschwindigkeit Null ergibt den Wert von r. Siebold el al. (2000) führten Kapillaraufstiegsexperimente mit verschiedenen n-Alkanen durch, die aufgrund ihrer geringen Oberflächenspannung alle als vollständig benetzend gelten. In jedem Fall wurde eine lineare Beziehung zwischen der quadratischen Höhe der aufsteigenden Flüssigkeit und der Zeit erhalten, deren Ergebnisse des Terms r • cos(θ) aus den Steigungen dieser Kurven berechnet wurden. Dieser Befund wurde in eine Methode zur Berechnung oder Messung des Kontaktwinkels bei Nullgeschwindigkeit umgewandelt. Siebold et al. (2000) schlugen vor, dass für poröse Medien der Term r • cos (θ) für jedes Alkan (der Term wurde aus der Washburn-Gleichung berechnet) gegen die anfängliche Strömungsgeschwindigkeit jeder Flüssigkeit aufgetragen werden kann. Die erzeugte Kurve kann auf die Geschwindigkeit Null (und damit cos (θ) = 1) extrapoliert werden und ermöglicht die Bestimmung des repräsentativen Radius r. Nachdem wir r gefunden haben, das eine Eigenschaft der festen Probe ist und sich in Abhängigkeit von den verwendeten Flüssigkeiten nicht ändert, können wir mit unserer Testflüssigkeit ein Kapillaranstiegsexperiment durchführen und die Kontaktwinkel berechnen, die diese Flüssigkeit mit der festen porösen Probe erzeugt.