Способ определения толщины граничного слоя воды



Способ определения толщины граничного слоя воды
Способ определения толщины граничного слоя воды
Способ определения толщины граничного слоя воды
Способ определения толщины граничного слоя воды
Способ определения толщины граничного слоя воды
Способ определения толщины граничного слоя воды

 


Владельцы патента RU 2510495:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления" (RU)

Изобретение относится к области малых энергий в химии и может быть использовано при разработке нанотехнологий в разных отраслях промышленности: химической, легкой, кожевенной и меховой, пищевой, медицинской, строительной индустрии, а также в разных областях знаний. Для оценки толщины граничного слоя воды на поверхностях с разными свойствами путем определения дальности распространения межмолекулярных сил поверхности в воду с использованием способности поверхностно-активных веществ перемещать воду, находясь в газовой фазе в виде нанокапель, в разработке на этой основе новых методов и способов применения нанотехнологий для химических и энергетических целей, получения новых знаний толщину слоя воды, находящейся во взаимодействии с веществом поверхности, на которой вода находится, определяют по разности критической толщины слоя воды, при которой еще происходит прорыв этого слоя поверхностно-активным веществом из газовой фазы, и толщиной структурированного поверхностного слоя воды, равной 0,15 мм. Информацию о критической толщине слоя воды на изучаемой поверхности получают от взаимодействия поверхностно-активного вещества с поверхностью воды, фиксируя видео или кинокамерой процесс перемещения воды от подвода капилляра с поверхностно-активным веществом до окончания перемещения воды. Затем на покадровой развертке определяют время, необходимое для прорыва слоя воды, а толщину слоя воды увеличивают и определяют, при какой толщине воды прорыва слоя не происходит. За критическую толщину слоя воды принимают толщину, при которой еще происходит прорыв всей толщины воды. Техническим результатом является разработка способа определения толщины граничного слоя воды, в котором распространяется силовое поле молекул поверхности тела, на котором жидкость находится. 6 ил.

 

Изобретение относится к области малых энергий в химии и может быть использовано при разработке нанотехнологий в разных отраслях промышленности: химической, легкой, кожевенной и меховой, пищевой, медицинской, строительной индустрии, а также в разных областях знаний.

Известно, что в научной литературе, посвященной изучению поверхностных явлений, приводятся данные о толщине граничных слоев жидкости в десятки ангстрем. Там же говорится о том, что влияние твердой поверхности распространяется и дальше вглубь жидкости (см. Дерягин Б.В., Чураев Н.В., Муллер В.М. Поверхностные силы. - М.: Наука, 1985. - 398 с.); (см. Вода в дисперсных системах/Б.В. Дерягин, Н.В. Чураев, Ф.Д. Овчаренко и др. - М.: Химия, 1989. - 288 с.; О роли граничных слоев воды в агрегативной устойчивости дисперсий гидрофильных частиц. Е.В. Голикова Ю.М. Чернобережский, с.176.; см. там же Состояние связанной воды в дисперсных силикатах Ф.Д. Овчаренко, Ю.И. Тарасевич, с.41). Считается, что распространение межмолекулярных сил взаимодействия между твердым телом и жидкостью ограничено несколькими ангстремами, и они относятся к близкодействующим (см. Силы в природе/В.И. Григорьев, Г.Я. Мякишев. - М.: Наука, 1973. - 416 с., с.186); (см. Дерягин Б.В., Чураев Н.В., Муллер В.М. Поверхностные силы. - М.: Наука, 1985. - 398 с.). Однако протяженность взаимодействия или распространения этих сил не определена. В то же время об их влиянии, например, на результаты определения поверхностного натяжения методом отрыва кольца известно, что при выполнении этих измерений предлагается погружать кольцо в жидкость на достаточном удалении от стенок сосуда (см. Поверхностные явления и поверхностно-активные вещества. Справочник / А.А. Абрамзон, Л.Е. Боброва, Л.П. Зайченко и др., под ред. А.А. Абрамзона и Е.Д. Щукина, - Л., Химия, 1984 г., с.392, илл., с.165); (см. Дерягин Б.В., Чураев Н.В., Муллер В.М. Поверхностные силы. - М.: Наука, 1985. - 398 с.).

Известно, что для определения толщины граничных слоев жидкости используют методы инфракрасной спектроскопии, ядерного магнитного резонанса и другие не менее сложные методы (см. Вода в дисперсных системах./Б.В. Дерягин, Н.В. Чураев, Ф.Д. Овчаренко и др. - М.: Химия, 1989. - с.288).

Наиболее близких к изобретению технических решений в известной научно-технической литературе и патентной документации авторами не выявлено.

Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка способа определения толщины граничного слоя воды, в котором распространяется силовое поле молекул поверхности тела, на котором жидкость находится.

Технический результат изобретения заключается в оценке толщины граничного слоя воды на поверхностях с разными свойствами путем определения дальности распространения межмолекулярных сил поверхности в воду с использованием способности поверхностно-активных веществ перемещать воду, находясь в газовой фазе в виде нанокапель, в разработке на этой основе новых методов и способов применения нанотехнологий для химических и энергетических целей, получения новых знаний.

Технический результат предлагаемого изобретения достигается тем, что в способе определения толщины граничного слоя воды согласно изобретению толщину слоя воды, находящегося во взаимодействии с веществом изучаемой поверхности, на которой вода находится, определяют по разности критической толщины слоя воды, при которой еще происходит прорыв этого слоя поверхностно-активным веществом из газовой фазы, и толщиной структурированного поверхностного слоя воды, равной 0,15 мм, при этом информацию о критической толщине слоя воды на изучаемой поверхности получают от взаимодействия поверхностно-активного вещества с поверхностью воды, фиксируя видео или кинокамерой процесс перемещения воды от подвода капилляра с поверхностно-активным веществом до окончания перемещения воды, затем на покадровой развертке определяют время, необходимое для прорыва слоя воды, а толщину слоя воды увеличивают и определяют, при какой толщине воды прорыва слоя не происходит, а за критическую толщину слоя воды принимают толщину, при которой еще происходит прорыв всей толщины воды.

Толщина двойного поверхностного слоя жидкости воды определена американскими астронавтами в 0,3 мм (300 микрон). Следовательно одинарный слой жидкости воды будет иметь толщину 0,15 мм (см. Опыты с мыльной пленкой без мыла: Журнал «Наука и жизнь» №1, опубл. в 2004 г., что можно также посмотреть на сайте: http://www.nkj.ru/archive/articles/5029/).

Новизной предлагаемого изобретения является то, что впервые используют для измерений толщины граничного слоя воды прорыв слоя жидкости поверхностно-активным веществом из газовой фазы.

Экспериментальными исследованиями установлено, что перемещение воды поверхностно-активным веществом (ПАВ) из газовой фазы происходит только в том случае, если ПАВ взаимодействует с молекулами жидкости, которая «структурирована» на границе раздела фаз. Поверхностно-активное вещество, взаимодействуя с водой, адсорбируется на ее поверхности. Если молекулы воды условно «неподвижны» и образуют какую-либо структуру, то перемещаемая жидкость ведет себя как твердое вещество. Молекулы ПАВ адсорбируются на такой структуре и разрушают ее, встраиваясь в эту структуру. Причем, вновь образованная структура с внедренными молекулами ПАВ может существовать достаточно длительное время. По результатам экспериментальных исследований время составляет до 20 секунд. При встраивании ПАВ в структуру воды происходит разрушение структуры последней и слой разрушенной структуры начинает перемещаться под действием расширяющегося слоя новой структуры с внедренными в структуру воды молекулами ПАВ. Перемещение может происходить по поверхности граничных слоев предыдущей структуры. Это хорошо видно на кадрах видеосъемки в виде кольцевых расширяющихся структур (см. фиг.1 и 2). Такое постепенное разрушение структурированного слоя молекул приводит к прорыву слоя воды (см. фиг.3) до поверхности, на которой вода находится только в том случае, если структурированный от взаимодействия воды с газовой фазой слой соприкасается с нижележащим структурированным слоем воды, взаимодействующей с материалом поверхности, на которой вода находится (см. фиг.4). Если между этими «структурированными» слоями имеется слой «подвижной» воды, не входящей в структурированные слои, то прорыва всего слоя воды не происходит, так как молекулам ПАВ невозможно закрепиться и начать сдвиг слоев. Они просто растворяются в неструктурированной подвижной части молекул воды. Но возможность прорыва всей толщины сохраняется и в этом случае, если количество ПАВ будет достаточно большим и поверхностно-активное вещество успеет создать структуру вместе с водой, например, скорее всего в виде пленки типа мыльного пузыря, способную перекрыть подход свободных молекул воды в место прорыва. Поэтому количество ПАВ, подходящее к поверхности воды из капилляра, должно быть ограничено только внутренним диаметром капилляра, и отсутствовать с внешней его поверхности. Это стабилизирует процесс перехода молекул ПАВ в газовую фазу. И соответственно процесс прорыва будет проходить в одинаковых условиях во всех экспериментах. Используя это, можно регулировать количество ПАВ, попадающих в точку прорыва, изменяя расстояние над поверхностью воды края капилляра с ПАВ. Возможно, что ПАВ попадает на поверхность воды в виде микро- или нанокапель.

Перемещение воды под действием поверхностно-активных веществ можно представить как «разбегание» молекул поверхностно-активного вещества под действием сил отталкивания. Этим же объясняется стремление молекул ПАВ вглубь воды и пробивание слоя молекул воды, находящихся в структурированном состоянии. После (прорыва) прободения слоя структурированных молекул воды молекулы ПАВ находят более устойчивую поверхность и начинают образовывать на этой поверхности слой, в котором молекулы ПАВ, отталкиваясь друг от друга и вовлекая в процесс молекулы воды, образуют пленку, которая, расширяясь, перемещает воду. Причем, это перемещение «разрезает» слой структурированных молекул воды и оставляет их на твердой поверхности в виде тонкого слоя, похожего на черную пленку, возникающую в мыльных пленках пузырей. Этот эффект виден визуально на последовательных кадрах (см. фиг.5 и 6). На фигуре 5 видно, как образовался слой воды, имеющий более темный цвет, чем остальная поверхность, а на следующем кадре (см. фиг.6) видно, что этот слой свернулся в каплю. Кроме того, перед прорывом образуются темные пятна (возможно, это темные пленки как в мыльных пузырях), именно в этих местах начинается прорыв слоя воды (см. фиг.7 и 8).

Для определения критической толщины изменяют толщину слоя воды на поверхности бумаги, монокристалла кремния (далее «кремний») и монокристалла LiNbO3 (далее «литий») от 0,2 до 0,6 мм. Высоту края капилляра над изучаемой поверхностью, с которой воздействовали на поверхность воды, изменяют от 1 до 4 мм.

Для бумаги предельная толщина слоя воды составила 0,4 мм (при 0,4 мм прорывается, а при 0,5 мм не прорывается). Для кремния 0,5 мм (при 0,5 мм прорывается, а при 0,6 мм не прорывается). Для лития 0,6 мм (при 0,6 мм прорывается, а при 0,7 мм не прорывается).

Сущность предлагаемого изобретения поясняется рисунками в виде кадров, на которых изображены:

на фиг.1 - представлен кадр 22 с видом поверхности от воздействия ПАВ из газовой фазы и с образованием кольцевых структур;

на фиг.2 - представлен кадр 0099 с видом поверхности в момент прорыва слоя воды толщиной 0,4 мм на бумаге, при этом высота капилляра над поверхностью воды 2 мм;

на фиг.3 - представлен кадр 1090 с видом поверхности слоя воды толщиной 0,5 мм на бумаге, при котором прорыва нет, а высота капилляра над поверхностью воды 1 мм;

на фиг.4 - представлен кадр 1018 с прорывом слоя воды толщиной 0,6 мм на пластине из LiNbO3 «лития», при этом высота капилляра с ПАВ над поверхностью воды 1,0 мм;

на фиг.5 - представлен кадр 1134, на котором слой воды толщиной 0,7 мм на пластине из LiNbO3 «лития», прорыва нет, а высота капилляра с ПАВ над поверхностью воды 0,5 мм;

на фиг.6 - представлен кадр 1118, на котором слой воды толщиной 0,6 мм на пластине из монокристалла «кремния», прорыва нет, а высота капилляра с ПАВ над поверхностью воды 1,0 мм.

Предлагаемый способ определения толщины граничного слоя воды осуществляют следующим образом.

Для выполнения изобретения применяют известное устройство (см. патент RU №2362141, МПК G01N 13/06, опубл. 20.07.2009 г., бюл. №20).

На стол с регулируемым уровнем горизонтальности поверхности укладывают пластину из материала, свойства поверхности которого необходимо исследовать, либо пластину с кюветой или объектом-препаратом, на которые помещают измеряемый материал в виде пластины, возможно неправильной формы с непрерывной поверхностью, в которую можно вписать окружность с диаметром не менее 10 мм. Для удержания на исследуемой поверхности некоторого слоя воды толщиной, например, 0,1-1 мм на исследуемый материал или объект-препарат наносят окружность из гидрофобного вещества, если жидкость полярная, или гидрофильного вещества, если жидкость или растворы различных веществ, влияние которых необходимо исследовать, не полярные. При использовании для исследований образцов малой площади штангенциркулем измеряют их толщину и внешние размеры и укладывают на подготовленный для исследований объект-препарат или в кювету. Эти измерения используют для масштабирования. Образец размещают так, чтобы центр вписанной окружности в непрерывную площадь образца совпадал с центром объекта-препарата или кюветы. Для исследований плоских объектов неправильной формы объект-препарат и кювета кроме отметки центра должны содержать отметки, размещенные так, чтобы измеряемый образец размещался между этими отметками, и они были видны с обеих сторон объекта, либо по краям кюветы и объекта-препарата радиальные отметки диаметров или отметки параллельных линий, если кювета и объект-препарат выполнены не в виде окружности. Тогда изучаемый образец можно размещать так, чтобы отметки были видны только с одной стороны. В случае использования небольших объектов малых размеров измеряют их геометрические размеры, а образцы в кювете и на объекте-препарате размещают так, чтобы одно из измеренных направлений совпадало с линиями, проведенными перпендикулярно оптической оси объектива фиксирующей камеры. Это необходимо для правильного масштабирования измерений. Если испытанию подвергаются образцы большой площади, то масштабные отметки делают непосредственно на образцах. Это необходимо для масштабирования измеренных величин. Далее видеокамеру или кинокамеру настраивают так, чтобы край капилляра и масштабные линии были четко видны в видоискателе и по возможности занимали наибольшую площадь кадра (настройка резкости изображения). После настройки резкости изображения устанавливают линейку с ценой деления 1 мм и фиксируют камерой для последующего масштабирования измерений. Линейку устанавливают перпендикулярно оптической оси объектива, фиксирующей процесс камеры точно по диаметру окружности. После чего линейку убирают.

В ограниченную гидрофильным или гидрофобным веществом окружность вносят исследуемую воду в количестве, необходимом для создания слоя воды выбранной исследователем толщины над изучаемой поверхностью образца.

Точно над центром ограничивающей фигуры, например окружности, устанавливают капилляр по возможности точно в центр ограничивающей фигуры. Край капилляра устанавливают на высоте 1-4 мм от поверхности изучаемого материала. Осветитель рассеянного света с нанесенными на его светящуюся поверхность темными линиями в виде сетки или с установленной на светящейся поверхности осветителя сеткой из непрозрачного материала, или сеткой, нанесенной на прозрачный материал, устанавливают так, чтобы отраженное от поверхности исследуемой воды изображение сетки в фиксирующей камере было четко видно.

Капилляр заполняют изучаемым поверхностно-активным веществом, обмакивая капилляр в жидкость, содержащую ПАВ. Выдерживают капилляр до подвода к поверхности жидкости в течение 3-5 минут для испарения жидкости с поверхности капилляра.

Камеру включают на фиксацию изображения, и капилляр подводят к точке, в которой осуществляют прорыв. Желательно, чтобы эта точка совпадала с центром ограничительной фигуры. Кадры фильма, зафиксировавшие процесс прорыва, последовательно изучают, определяя расстояние от точки прорыва до края перемещаемого слоя воды, и в соответствии с масштабом переводят в единицы длины.

При работе с бумагой на нее наносят окружность с необходимым внутренним диаметром из гидрофобной краски, например раствор гудрона. Ширина линии ограничивающей фигуры 4-6 мм. Бумагу с нанесенной на нее ограничительной фигурой замачивают в растворителе, например в воде, в течение определенного времени, например 10 минут, и накладывают на стол или уложенную на него плоскопараллельную пластину (толстое стекло). При этом бумагу расправляют и из-под нее удаляют воздух выдавливанием с помощью стеклянной трубки с закругленными концами, например пипетка диаметром 10-15 мм, или другого приспособления, например валик для прикатывания фотографий для глянцевания. На площадь бумаги, ограниченную нанесенными линиями (окружность, квадрат), наносят исследуемую воду в количестве, необходимом для создания над изучаемым образцом слоя толщиной, определяемой условиями опыта. Включают фиксирующую видео или кинокамеру. В центр устанавливают капилляр, заполненный ПАВ, расположив его край на заданной высоте.

Таким образом, толщину слоя воды, находящейся во взаимодействии с веществом изучаемой поверхности, на которой вода находится, определяют по разности критической толщины слоя воды, при которой еще происходит прорыв этого слоя поверхностно-активным веществом из газовой фазы, и толщиной структурированного поверхностного слоя воды, равной 0,15 мм. Информацию о критической толщине слоя воды на изучаемой поверхности получают от взаимодействия поверхностно-активного вещества с поверхностью воды, фиксируя видео или кинокамерой процесс перемещения воды от подвода капилляра с поверхностно-активным веществом до окончания перемещения воды. Затем на покадровой развертке определяют время, необходимое для прорыва слоя воды, а толщину слоя воды увеличивают и определяют, при какой толщине воды прорыва слоя не происходит. За критическую толщину слоя воды принимают толщину, при которой еще происходит прорыв всей толщины воды.

Примеры, подтверждающие конкретное выполнение способа определения толщины граничного слоя воды.

Для осуществления примеров способа применяют известное устройство (см. патент RU №2362141, МПК G01N 13/06, опубл. 20.07.2009 г., бюл. №20).

Пример 1

Бумагу с нанесенной на нее ограничительной линией в виде окружности замачивают в дистиллированной воде в течение 10 минут и помещают ее на стол, установленный по уровню, удаляя из-под бумаги воздух прокатыванием стеклянной трубки с оплавленными концами. Фиксирующее процесс прободения слоя воды устройство - видео или кинокамеру, наводят на резкость по изображению центра фигуры. Внутрь ограничительного кольца точно в центр укладывают образец в виде плоской пластины монокристалла кремния с измеренной штангенциркулем толщиной, например, 0,95 мм и диаметром 30 мм. К пластине подводят край не заполненного поверхностно-активным веществом капилляра до касания им пластины монокристалла кремния. И поднимают капилляр на заданную исследователем высоту, затем капилляр отводят от измеряемого образца. В ограничительную окружность вносят воду в количестве, обеспечивающем толщину слоя над изучаемым образцом 0,3 мм с учетом объема самого образца. Капилляр заполняют ПАВ обмакиванием, выдерживают в атмосфере исследования в течение 5 минут, наблюдая за отсутствием ПАВ на внешней поверхности капилляра, или аккуратно снимают его фильтровальной бумагой, включают фиксирующую процесс прободения слоя воды камеру и подводят капилляр в центр изучаемого образца. Наблюдают за происходящими изменениями визуально. В случае прободения слоя воды ПАВ исследование продолжают, увеличивают толщину слоя воды над изучаемым образцом на 0,1 мм. Толщина слоя воды стала 0,4 мм. Включают фиксирующую процесс видео или кинокамеру и подводят капилляр в точку измерения. Слой воды был пробит. Снова увеличивают количество воды до толщины слоя 0,5 мм. Подводят капилляр с ПАВ. Слой был пробит. Опять увеличивают толщину слоя воды над изучаемым образцом на 0,1 мм и получают слой толщиной 0,6 мм. Эта толщина слоя не пробилась (см. фиг.6). Поэтому за толщину граничного слоя «структурированных» молекул воды принимают толщину 0,5 мм. Если увеличенный слой воды не прорывается, то за искомую величину принимают слой, который был пробит - предшествующую толщину слоя. Для монокристалла кремния он составил 0,5 мм. Следовательно, на монокристалле кремния толщина граничного «структурированного» слоя будет составлять 0,5 мм минус 0,15 мм = 0,35 мм.

Пример 2

Бумагу с нанесенной на нее ограничительной линией в виде окружности замачивают в дистиллированной воде и помещают ее на стол, установленный по уровню, удаляя из-под бумаги воздух прокатыванием стеклянной трубки с оплавленными концами. Фиксирующее процесс прободения (прорыва) слоя воды устройство - видео или кинокамеру, наводят на резкость по изображению центра фигуры. Внутрь ограничительного кольца точно в центр укладывают образец в виде плоской пластины монокристалла LiNbO3 (далее «литий») с измеренной штангенциркулем толщиной, например, 0,5 мм и линейной длиной 40 мм. К пластине подводят край не заполненного поверхностно-активным веществом капилляра до касания им пластины монокристалла кремния и поднимают капилляр на заданную исследователем высоту, после чего капилляр отводят от измеряемого образца. В ограничительную окружность вносят воду в количестве, обеспечивающем толщину слоя над изучаемым образцом 0,3 мм с учетом объема самого образца. Капилляр заполняют ПАВ обмакиванием, выдерживают в атмосфере исследования в течение 5 минут, наблюдая за отсутствием ПАВ на внешней поверхности капилляра или аккуратно снимают его фильтровальной бумагой, включают фиксирующую процесс прободения слоя воды видео или кинокамеру и подводят капилляр в центр изучаемого образца. Наблюдают за происходящими изменениями визуально. В случае прободения слоя воды ПАВ исследование продолжают, увеличивают толщину слоя воды над изучаемым образцом на 0,1 мм. Толщина слоя воды стала 0,4 мм. Включают видео или кинокамеру и подводят капилляр в точку измерения. Слой воды был пробит. Снова увеличивают количество воды до толщины слоя над образцом 0,5 мм. Подводят капилляр с ПАВ. Слой был пробит. Опять увеличивают толщину слоя воды над изучаемым образцом на 0,1 мм. Получают слой с толщиной 0,6 мм. Эта толщина слоя пробилась (см. фиг.4). Поэтому увеличивают толщину слоя воды над изучаемым образцом на 0,1 мм. Получают толщину слоя 0,7 мм. Слой не был пробит (см. фиг.5). За толщину слоя «структурированных» молекул воды на монокристалле LiNbO3 «лития» принимают толщину слоя 0,6 мм. Если увеличенный слой воды не пробивается, то за искомую величину принимают слой, который был пробит -предшествующий слой. Для монокристалла «лития» он составил 0,6 мм. Следовательно, толщина граничного «структурированного» слоя будет составлять 0,6 мм минус 0,15 мм = 0,45 мм.

Пример 3

Бумагу с нанесенной на нее ограничительной линией в виде окружности замачивают в дистиллированной воде и помещают ее на стол, установленный по уровню, удаляя из-под бумаги воздух прокатыванием стеклянной трубки с оплавленными концами. Для фиксирования процесса прободения (прорыва) слоя воды видео или кинокамеру наводят на резкость по изображению центра фигуры. К центру бумаги подводят край не заполненного поверхностно-активным веществом капилляра до касания. И поднимают капилляр на заданную исследователем высоту. Капилляр отводят от измеряемого образца. В ограничительную окружность вносят воду в количестве, обеспечивающем толщину слоя над изучаемым образцом 0,3 мм. Капилляр заполняют ПАВ обмакиванием, выдерживают в атмосфере исследования в течение 5 минут, наблюдая за отсутствием ПАВ на внешней поверхности капилляра, включают фиксирующую процесс прободения (прорыва) слоя воды видео или кинокамеру и подводят капилляр в центр изучаемого образца. Наблюдают за происходящими изменениями визуально. В случае прободения слоя воды ПАВ исследование продолжают, увеличивая толщину слоя воды над изучаемым образцом на 0,1 мм. Увеличивают толщину слоя воды на 0,1 мм. Толщина слоя воды стала 0,4 мм. Включают видео или кинокамеру и подводят капилляр в точку измерения. Слой воды был пробит (см. фиг.2). Увеличивают толщину слоя воды на 0,1 мм. Толщина слоя воды стала 0,5 мм. Включают видео или кинокамеру и подводят капилляр в точку измерения. Если увеличенный слой воды не пробивается (см. фиг.3), то за искомую величину принимают слой, который был пробит - предшествующий слой. Для бумаги он составил 0,4 мм. Следовательно, толщина граничного «структурированного» бумагой слоя будет составлять 0,4 мм минус 0,15 мм =0,25 мм.

Таким образом, появляется возможность определить толщину слоя воды, при которой действие молекулярных сил вещества поверхности, на которой находится вода, прекращается. Полученные результаты согласуются с измерением краевого угла смачивания. Для «лития» он составил 45°, для «кремния» 55°. Чем меньше краевой угол смачивания, тем интенсивнее материал взаимодействует с водой, тем более толстый будет граничный слой структурированных молекул.

Предлагаемый способ определения толщины граничного слоя воды позволяет:

- оценить толщину граничного слоя воды на поверхностях с разными свойствами путем определения дальности распространения межмолекулярных сил поверхности в воду с использованием способности поверхностно-активных веществ перемещать воду, находясь в газовой фазе в виде нанокапель;

- разработать на этой основе новые методы и способы применения нанотехнологий для химических и энергетических целей, получения новых знаний;

- определить границы распространения слабых межмолекулярных сил.

Предлагаемый способ определения толщины граничного слоя воды можно использовать в химической промышленности при производстве моющих средств, кожевенной и меховой, легкой промышленности при производстве тканей и изделий из них, пищевой, медицине, ветеринарии, при производстве лаков и красок, строительной индустрии, в учебных заведениях для получения новых знаний.

Способ определения толщины граничного слоя воды, характеризующийся тем, что толщину слоя воды, находящегося во взаимодействии с веществом изучаемой поверхности, на которой вода находится, определяют по разности критической толщины слоя воды, при которой еще происходит прорыв этого слоя поверхностно-активным веществом из газовой фазы, и толщиной структурированного поверхностного слоя воды, равной 0,15 мм, при этом информацию о критической толщине слоя воды на изучаемой поверхности получают от взаимодействия поверхностно-активного вещества с поверхностью воды, фиксируя видео или кинокамерой процесс перемещения воды от подвода капилляра с поверхностно-активным веществом до окончания перемещения воды, затем на покадровой развертке определяют время, необходимое для прорыва слоя воды, а толщину слоя воды увеличивают и определяют, при какой толщине воды прорыва слоя не происходит, за критическую толщину слоя воды принимают толщину, при которой еще происходит прорыв всей толщины воды.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области оценки поверхностных свойств материалов и может быть использовано для разработки энергетических нанотехнологий в различных отраслях промышленности: химической, кожевенной и меховой, легкой, пищевой, медицинской, строительной индустрии и т.д.

Изобретение относится к области исследования смачиваемости поверхностей применительно к различным отраслям промышленности. Для определения смачиваемости поверхности исследуемого материала по меньшей мере один образец исследуемого материала помещают в по меньшей мере одну герметичную ячейку калориметра.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в строительных материалах и изделиях, а также в пищевой, химической и других отраслях промышленности.

Изобретение относится к электрохимии и может быть использовано для исследований межфазных границ между электропроводящими твердыми электродами, находящимися в контакте с расплавленными, преимущественно высокотемпературными электролитами.

Изобретение относится к области исследования поверхностных свойств, в частности к определению смачиваемости пористых материалов, и может найти применение в различных отраслях промышленности, например в нефтегазовой, химической, лакокрасочной и пищевой.

Изобретение относится к области исследования характеристик порошковых материалов, в частности их смачиваемости. .

Изобретение относится к области молекулярной технологии (нанотехнология). .

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано при разработке нефтяных и газовых залежей, а также при интерпретации ГИС (геофизических исследований скважин).

Изобретение относится к нанотехнологиям и методам проведения металлографического анализа образцов и определения трехмерной топографии их поверхности и структуры с помощью атомно-силовой микроскопии при разрешающей способности в нанометровом диапазоне. Способ тестирования системы металлографического анализа с помощью сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) для действующего оборудования в полевых условиях, использующий макет выбранного для анализа конструкционного элемента оборудования. В указанном макете конструкционного элемента выполняют отверстие, в котором устанавливают макетный образец, изготовленный из металла, аналогичного указанному конструкционному элементу, проводят подготовку поверхности полевыми средствами и анализ с помощью полевого варианта СЗМ. Затем сравнивают результаты с результатами анализа этого же макетного образца, полученными лабораторным путем. Техническим результатом является повышение надежности результатов металлографического анализа на действующем оборудовании. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к методам металлографического анализа образцов стали и определения трехмерной топографии поверхности и ее структуры при помощи сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ). Согласно способу проводится шлифовка, полировка и либо химическое, либо электрохимическое травление образца стали, а затем сканирование поверхности образца с помощью СЗМ. В качестве СЗМ могут использоваться атомно-силовые сканирующие (АСМ), а также сканирующие туннельные (СТМ) и оптические ближнепольные сканирующие (СБОМ), совмещенные с АСМ. По результатам сканирования для металлографического заключения производится идентификация и классификация структурных элементов образца в зависимости от их формы и глубины, которые связаны со скоростью травления этих структурных элементов, определяемой их строением. Технический результат - повышение разрешающей способности, точности и информативности металлографического анализа. 15 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретения относятся к области определения значений параметров, характеризующих физико-химические свойства материалов, например коэффициентов диффузии, по величине электропроводности, и могут найти применение в порошковой металлургии, в изучении процессов самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, в материаловедении и физике твердого тела. В способе определения коэффициента диффузии измеряют электропроводность материала в исходном состоянии для определения начального содержания диффузанта в покрытии на его частицах. Затем подвергают материал в насыпном виде диффузионному отжигу, охлаждают и измеряют электропроводность для определения измененного содержания диффузанта в покрытии. Измерение электропроводности материала до и после отжига проводят при различной степени уплотнения, а также до и после отжига определяют толщину покрытия и показатель его целостности, с учетом которых определяют изменение содержания диффузанта в покрытии при постоянном значении его концентрации и определяют коэффициент диффузии по выражению, полученному решением уравнения Фика. Указанную последовательность действий повторяют при различных температурах отжига материала для получения температурной зависимости коэффициента диффузии, по которой в соответствии с законом Аррениуса определяют его постоянные параметры: предэкспоненциальный множитель и энергию активации. При осуществлении способа определения толщины и показателя целостности покрытия образец материала сжимают, измеряют его электропроводность при различной степени уплотнения, определяют электропроводность материала в беспористом состоянии. Дополнительно измеряют удельную поверхность материала и электропроводность материала без покрытия, определяют среднестатистическое координационное число проводящих контактов частиц. Затем рассчитывают относительную площадь проекции неэкранированной покрытием контактной поверхности частиц материала в беспористом состоянии, характеризующую целостность покрытия, и толщину покрытия. Техническим результатом является повышение точности и достоверности определения, упрощение способа, расширение области применения. 2 н.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к области исследования характеристик порошковых материалов, в частности их смачиваемости. Целью изобретения является разработка более точного способа определения смачиваемости порошков. Сущность изобретения заключается в том, что в кювете с прозрачными плоско-параллельными стенками создают взвесь равномерно распределенных в воздухе частиц порошка диаметром не более 5 мкм с начальной концентрацией взвеси частиц, выбираемой из условия T0≤0.2, и измеряют спектральный коэффициент пропускания взвеси. Затем в кювету подают поток монодисперсных капель диаметром 0.8÷2.5 мм из равномерно распределенных по поперечному сечению кюветы капельниц в течение заданного промежутка времени tk, определяемого из условия Tk>2T0, и повторно измеряют спектральный коэффициент пропускания взвеси. Параметр смачиваемости порошка рассчитывается по формуле β = 4 V ln [ ( ln 1 T 0 ) ( ln 1 T k ) − 1 ] η π D 2 h n f t k где V - объем кюветы; T0, Tk - спектральный коэффициент пропускания до и после осаждения капель; η - коэффициент захвата; D - диаметр капли; h - высота кюветы; n - количество капельниц; f - частота падения капель; tk - промежуток времени подачи капель в кювету. Техническим результатом является повышение точности определения характеристик смачиваемости порошковых материалов и обеспечение проведения измерений непосредственно в пылевоздушной смеси. 3 табл., 7 ил.

Изобретение относится к области исследования свойств взаимодействия поверхности с флюидами и может быть использовано для определения теплоты адсорбции и смачивания поверхности. Заявлена измерительная ячейка калориметра, состоящая из изолированных друг от друга верхней и нижней частей, сообщающихся между собой посредством подвижного разъемного герметичного соединения. Ячейка снабжена двумя коаксиально расположенными трубками, выполненными с возможностью независимого подключения к внешним устройствам. Внешняя трубка подсоединена к верхней части ячейки, а внутренняя трубка подсоединена к нижней части ячейки через указанное подвижное разъемное герметичное соединение и выполнена подвижной. Технический результат - расширение функциональных возможностей устройства. 1 н. и 7 з.п. ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к области определения физико-химических свойств поверхностей и может быть использовано для оценки степени гидрофильности хвои, предварительно обработанной водяным паром. Способ определения краевого угла смачивания хвои, предварительно обработанной водяным паром, состоит в нанесении на испытуемую поверхность дозированной капли жидкости, измерении ее размеров и определения краевого угла смачивания по формуле Θ = a r c t g ( − 2 L ⋅ D 2 − d 2 d 2 ) . Техническим результатом является упрощение повышения точности измерения величины краевого угла смачивания хвои, предварительно обработанной водяным паром.1 ил.

Изобретение относится к области оценки свойств дисперсных материалов и может быть использовано для разработки энергетических нанотехнологий в разных отраслях промышленности и областях знаний, а также для разработки и управления самоорганизующихся систем, открывает возможности для изучения новых принципов построения технических устройств. Для установления дальности перемещения движущихся объектов, направления их перемещения, определения количества и размеров частиц в секторах ограничительной окружности используют объект-препарат из бумаги с нанесенной на нее ограничительной линией шириной 5-6 мм в виде окружности с помеченным центром, направлением расположения видеокамеры и разбитой на сектора тонкими линиями окружности из гидрофобного материала. При этом в помеченном центре ограничительной окружности размещают шаблон, в который помещают дисперсный материал. Затем в ограничительную окружность вносят изучаемую жидкость в количестве, обеспечивающем толщину слоя жидкости над изучаемым материалом. Далее подводят его к центру капилляр на высоте 1-6 мм, содержащий поверхностно-активное вещество, включают видеокамеру на фиксирование изменений поверхности. После завершения процесса перемещения самоорганизующихся объектов на поверхности изучаемого материала видеокамеру отключают, пластину с объектом-препаратом и изучаемым материалом внутри шаблона оставляют высыхать, не сливая воду с поверхности объекта-препарата. Затем с помощью микроскопа определяют в каждом секторе количество частиц и их размеры возле ограничительной окружности, по которым определяют, в каком направлении объекты преимущественно перемещались и примерный состав движущихся объектов. Техническим результатом является обеспечение возможности установления дальности перемещения движущихся объектов, направления их перемещения, определения количества и размеров частиц в секторах ограничительной окружности. 9 ил., 4 пр.

Изобретение относится к способам определения аэрационной способности пенообразователей, используемых в технологии пенобетонов, и может быть использовано для оценки эффективности использования пенообразующих добавок, корректировки рецептуры пенобетонных смесей. Способ определения аэрационного потенциала пенообразователей, используемых в технологии пенобетонов, включает приготовление рабочего раствора пенообразователя, измерение температуры рабочего раствора пенообразователя и приготовление пены. Также способ включает отбор проб пены, выкладывание проб пены в предварительно взвешенные емкости известного объема и определение физико-механических характеристик пены. Причем перед приготовлением рабочего раствора пенообразователя все исходные компоненты выдерживаются в испытательном помещении при стандартных условиях до выравнивания температуры, а приготовление пены осуществляют в турбулентном бетоносмесителе в течение до 5 минут начиная с малой концентрации раствора. При этом объем раствора подбирают в зависимости от конструкционных особенностей смесителя и кратности пенообразователя, а отбор проб производят из верхнего загрузочного и нижнего выгрузочного отверстий бетоносмесителя в период до 30 секунд после приготовления пены. В качестве физико-механической характеристики определяется плотность пены для каждой из проб путем взвешивания фиксированного объема пены в предварительно взвешенных емкостях и деления массы пены на ее объем. Затем определяется среднее значение плотности пены, полученной из рабочего раствора пенообразователя с заданной концентрацией пенообразователя в воде, определяется температура пены, на основании предварительно установленного значения средней плотности пены, а также известных плотностей и дозировок исходных компонентов определяется показатель аэрационного потенциала, который вычисляется по формуле: A = m р − р а m п о ⋅ ( 1 ρ п − 1 ρ р − р а ) , где А - показатель аэрационного потенциала, л/кг; ρп - плотность пены, кг/л; ρр-ра - плотность рабочего раствора пенообразователя в воде, кг/л; mр-ра - масса рабочего раствора пенообразователя в воде, г; mпо - масса пенообразователя, г. Техническим результатом является расширение числа критериев оценки качества пенообразователей. 5 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при исследовании процессов массопереноса в капиллярно-пористых материалах для определения коэффициентов диффузии влаги в строительных материалах и конструкциях, а также в пищевой, химической и других отраслях промышленности. Способ определения коэффициента диффузии влаги заключается в создании в исследуемом образце равномерного начального влагосодержания, приведении плоской поверхности образца в контакт со средой с отличным от образца влагосодержанием. Также способ включает измерение изменения во времени сигнала гальванического преобразователя, определение времени достижения максимума на кривой изменения ЭДС гальванического преобразователя и расчет коэффициента диффузии. При этом производят импульсное увлажнение плоской поверхности исследуемого образца по прямой линии, после чего гидроизолируют эту поверхность, располагают электроды гальванического преобразователя в двух точках этой плоской поверхности на линии, параллельной линии нанесения импульсного увлажнения и на заданном расстоянии от нее, и рассчитывают искомый коэффициент по формуле: D = r 0 2 / ( 4 τ max ) , где τmax - время достижения максимума на кривой изменения ЭДС гальванического преобразователя, r0 - расстояние между линией импульсного увлажнения и линией расположения электродов гальванического преобразователя. Техническим результатом является повышение оперативности эксперимента и обеспечение возможности неразрушающего контроля коэффициента диффузии в массивных изделиях из капиллярно-пористых материалов. 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области поверхностных явлений и может быть использовано для оценки свойств жидкостей, различных поверхностей и свойств веществ в разных отраслях промышленности и в том числе в нанотехнологиях и порошковой металлургии. Устройство содержит светонепроницаемый кожух, состоящий из вертикально установленных боковых 6, 7, передней 8 и задней 9 стенок ограждения, а также верхней 10 стенки ограждения. Внутри на боковой стенке 6 ограждения установлен осветитель рассеянного света 12 с установленной на нем индикаторной сеткой 13, а на другой боковой стенке ограждения установлена кинокамера или видеокамера 14 с возможностью вертикального перемещения. На задней стенке 9 ограждения шарнирно закреплена вертикально расположенная ось 18, на которой установлен узел 15 для нанесения на объект-препарат 4 или кювету с бортиком поверхностно-активного вещества, выполненный в виде капельницы 16 с капилляром 17 и оснащенный механизмом 19 двухкоординатного перемещения с возможностью горизонтального смещения для установки капилляра 17 капельницы 16 в центр объекта-препарата 4 или кюветы с бортиком и с возможностью вертикального измерительного смещения края капилляра 17 капельницы 16 для внесения поверхностно-активного вещества на изучаемую поверхность. На задней 9 стенке ограждения установлена автоматическая бюретка 20 для заполнения ограничительной фигуры объекта-препарата 4 или кюветы с бортиком слоем жидкости известной толщины. На верхней 10 стенке ограждения выполнено отверстие 23, края которого соединены со светонепроницаемым рукавом 24, а отверстие 23 расположено над ручкой 25 для вертикального перемещения капилляра 17 капельницы 16. На передней стенке 8 ограждения выполнена крышка 22. Вертикально расположенные две боковые 6, 7, задняя 9 и передняя 8 стенки ограждения светонепроницаемого кожуха в нижней части имеют уплотнения 21, выполненные из мягкого упругого светонепроницаемого материала, например резины или пластических масс. Техническим результатом является повышение точности изображения изучаемой поверхности, упрощение конструкции. 1 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.
Наверх