1.3实验系统

本文采用的表面光散射实验系统由实验光路、耐高压实验本体、控温系统和数据采集与处理系统组成,图1为实验系统示意图,详细参见文献。

图1表面光散射实验系统示意图

激光器采用低功率连续型固体激光器,λ0=532 nm。高精度旋转台的直径为80 mm、角度分辨率为0.000 67°,经过校正角度测量的精度可以达到±0.05%,数字相关器为ALV-LinCorr,可以计算两路信号的相关函数。实验本体采用304号不锈钢材料,内部直径为70 mm、容积为150 cm3,实验中所需的样品体积约为50 cm3。实验本体可控制在温度为250～400 K、压力为0～10 MPa的范围。实验本体温度控制采用电加热方式,采用Fluke2100温控器控温,采用经过标定的Pt100铂电阻温度计和ASL的F200高精度测温仪测温,温度测量的不确定度小于±30 mK。

为了检验系统的可靠性,利用标准物质甲苯对装置进行了检验,结果表明表面张力和黏度的实验值与理论值最大偏差为1.3%和0.39%，可以满足表面张力和黏度的高精度测试要求。

1.4气相参数估算

由式(1)可以求解表面波色散方程需要的ρ′和η′,本文中HFE7000和HFE7200在饱和状态下的气相密度由PR方程结合饱和蒸气压方程进行估算,估算的预期不确定度为1%。

2实验结果及分析

本文对HFE7000和HFE7200在饱和状态下293.17～393.00 K和293.27～393.35 K温度区间的表面张力和黏度进行了实验研究,结果列于表2。

表面张力采用与温度相关的van der Waals关联式进行拟合

式中:σ0和n是拟合参数。

黏度采用多项式拟合

表3列出了拟合得到的参数值。HFE7000、HFE7200表面张力实验值与拟合方程(9)的计算值的最大偏差分别为0.064 mN·m-1和0.068 mN·m-1,平均偏差分别为0.030 mN·m-1和0.024 mN·m-1。黏度实验值与拟合方程(10)的计算值的平均相对偏差分别为0.71%和0.36%,最大相对偏差分别为1.83%和0.63%。

图2给出了HFE7000和HFE7200表面张力与温度的关系以及实验值与拟合方程计算值的偏差。两种氢氟醚的表面张力随着温度升高逐渐降低,且随着相对分子质量增大和临界温度升高,表面张力增大。在整个测量的温度范围内,实验值与方程计算值的偏差不超过±0.1 mN·m-1。

图2 HFE7000、HFE7200表面张力与温度的关系以及实验值与方程计算值的偏差

表3 HFE7000和HFE7200表面张力和黏度拟合参数

图3给出了HFE7000、HFE7200黏度与温度的关系以及实验值与拟合方程计算值的偏差,结果表明,实验值与方程计算值的偏差均在±2%之内。

根据误差传递理论,本文实验测量的不确定度可由色散方程(1)中的各测量和输入参数的不确定度引入,但由于式(1)没有理论分析解,只能近似估算表面张力和黏度测量的不确定度。本文采用参考文献中推荐的方法,表面张力和黏度的测量不确定度近似表达式为

图3 HFE7000、HFE7200黏度与温度的关系以及实验值与方程计算值的偏差

表4给出了式(11)、(12)中各参数对HFE7000和HFE7200表面张力和黏度在温度上下限(T=293～393 K)的扩展测量不确定度的贡献。其中,两种物质在T=293 K时,表面张力扩展测量不确定度为0.33%,黏度扩展测量不确定度分别为1.04%和1.03%;当T=393 K时,表面张力扩展测量不确定度为0.33%,黏度扩展测量不确定度分别为1.35%和1.13%;表面张力的不确定度保持不变,随着温度的升高,黏度测量的扩展测量不确定度升高。越接近临界温度,气相密度和黏度对扩展测量不确定度的贡献越大。因此,本文HFE7000和HFE7200表面张力的扩展测量不确定度(置信因子k=2)估计为0.35%,黏度的扩展测量不确定度(k=2)分别估计为1.35%和1.13%。

表4各参数对HFE7000和HFE7200表面张力和黏度测量不确定度的贡献%

3结论

本文利用新搭建的表面光散射实验系统测量了两种氢氟醚类物质HFE7000和HFE7200在饱和状态下的表面张力和黏度,温度范围均为293～393 K。利用获得的数据,拟合了表面张力和黏度的关联式。HFE7000和HFE7200表面张力实验值与关联式计算值的平均偏差分别为0.030 mN·m-1和0.024 mN·m-1;HFE7000和HFE7200黏度实验值与关联式计算值的平均相对偏差分别为0.71%和0.36%。