1.2 表麵光散射法

兩種酯類的表麵張力和黏度由表麵光散射法同時獲得。圖1為表麵光散射試驗係統圖，光源采用單縱模激光器(瑞典Cobolt公司 Cobolt 05-01)，功率為1W。測量時，低溫下由於散射信號較弱而采用較大的功率(300mW~500mW)；高溫下散射信號較強，可以適當降低入射光的功率，尤其是接近臨界溫度時，僅需幾毫瓦即可完成測量。信號采集采用雪崩光電二極管(APD)單光子計數器(美國Excelitas公司SPCM-AQRH-14-FC)，兩路APD同時采集散射光信號，利用兩路信號之間存在光程差消除單個APD的後脈衝效應。經兩路APD光電轉化後，利用數字相關器(德國ALV公司 ALV-LinCorr)對兩路信號進行時間互相關計算，進而提取流體表麵波所攜帶的頻率和弛豫時間信息。試驗樣品池的材料為316型不鏽鋼，將加熱絲均勻纏繞在試驗樣品池表麵用於精確控製其溫度，溫度控製采用Fluke 2100p高精度溫度控製器。溫度測量采用標定過的鉑電阻溫度計Pt100，其實際測溫精度接近於二等標準鉑電阻溫度計。試驗係統的溫度控製和測量範圍為298K~573K，溫度的穩定性為±5mK/(2h)，溫度測量精度為±25mK(置信水平為95%)。試驗係統測量表麵張力和黏度的擴展不確定度(置信水平為95%)分別為1%和2%。該試驗係統已成功測量過製冷劑、燃料、離子液體等多種類型流體工質，詳細的係統構建和表麵光散射理論可見相關文獻。

圖1 表麵光散射試驗係統圖

1.3 密度和折射率的測量方法

密度測量采用安東帕 DMA4200M U型管密度計，測量的溫度範圍為293K~473K，溫度測量不確定度為30mK。測量前，采用空氣和標準油進行了標定，並利用正十二烷在293K~453K溫度範圍內對儀器進行了檢驗，試驗值與NIST REFPROP參考值的最大偏差為0.16%，平均絕對偏差為0.07%。折射率測量采用安東帕Abbemat550折射率儀，溫度範圍為278K~358K，溫度測量不確定度為30mK。該折射率儀由德國國家計量研究院(PTB)校準，折射率測量的準確度為±0.0002。

2 試驗結果與討論

2.1 密度

本文在313.15K~473.15K溫度範圍內測量了兩種棕櫚酸酯類的液相密度，其試驗數據列於表3之中。

表3 棕櫚酸甲乙酯的液相密度

T/K ρl/(kg·m⁻³) T/K ρl/(kg·m⁻³)

棕櫚酸甲酯 棕櫚酸乙酯 棕櫚酸甲酯 棕櫚酸乙酯

313.15 850.28 844.98 403.15 784.35 779.24

323.15 842.87 837.55 413.15 777.04 771.96

333.15 835.49 830.18 423.15 768.72 764.63

343.15 828.16 822.92 433.15 762.37 757.33

353.15 820.00 815.62 443.15 754.03 750.02

363.15 813.56 807.70 453.15 747.72 742.70

373.15 806.17 801.03 463.15 740.31 735.28

383.15 798.92 793.76 473.15 732.87 727.82

393.15 791.64 786.50

將兩種樣品的密度數據擬合為多項式的形式:

ρ = ρ0 + ρ1T + ρ2T² (2)

密度偏差計算公式為:

ρl dev = 100% × (ρl exp - ρl calc) / ρl exp (3)

式中，ρ0、ρ1和ρ2為擬合係數，見表4；ρl exp和ρl calc為密度試驗值和計算值，kg/m³。圖2為棕櫚酸甲酯、棕櫚酸乙酯的密度及其與方程(2)計算值的偏差。棕櫚酸甲酯和棕櫚酸乙酯的密度試驗值與計算值的最大偏差分別為-0.089%與-0.078%，平均絕對偏差分別為0.033%與0.013%。圖2顯示，兩種物質的密度隨溫度升高而降低，其變化規律可以用二次多項式較為準確地描述，試驗測量值與方程計算值的偏差大部分在±0.04%範圍之內。兩種物質的密度在同一溫度下較為接近，且隨溫度變化的斜率基本接近。

表4 棕櫚酸甲酯、棕櫚酸乙酯密度方程(2)的擬合係數

樣品 ρ0/(kg·m⁻³) ρ1/(kg·m⁻³·K⁻¹) ρ2/(kg·m⁻³·K⁻²)

棕櫚酸甲酯 1082.58701 -7.47900×10⁻¹ 1.84211×10⁻³

棕櫚酸乙酯 1072.73668 -7.26650×10⁻¹ -3.99897×10⁻⁶

圖2 棕櫚酸甲酯、棕櫚酸乙酯的密度及其與方程(2)計算值的偏差

2.2 折射率

利用全反射法測量了棕櫚酸甲酯、棕櫚酸乙酯的折射率(n)，鑒於棕櫚酸甲酯的熔點高於棕櫚酸乙酯，故測量溫度範圍分別為308.15K~358.15K與313.15K~358.15K，每個溫度點測量2次以上並取平均值，結果列於表5中。

表5 棕櫚酸甲乙酯的折射率

T/K 折射率

棕櫚酸甲酯 棕櫚酸乙酯

308.15 1.434195

313.15 1.433092 1.432168

318.15 1.431032 1.430136

323.15 1.428993 1.428115

328.15 1.426981 1.426123

333.15 1.424993 1.424139

338.15 1.423007 1.422165

343.15 1.421056 1.420207

348.15 1.419123 1.418279

353.15 1.417183 1.416338

358.15 1.415232 1.414398

將兩種物質的折射率數據擬合成式(4)所示的線性函數形式。

n = n0 + n1T (4)

折射率偏差計算公式為:

ndev = 100% × (nexp - ncalc) / nexp (5)

式中，n0和n1為擬合係數，見表6；nexp和ncalc分別為折射率試驗值和計算值。經計算可得，棕櫚酸甲酯折射率試驗值與方程(4)計算值的最大偏差為0.008%，平均絕對偏差為0.004%；棕櫚酸乙酯折射率試驗值與方程(4)計算值的最大偏差為0.007%，平均絕對偏差為0.004%。圖3描述了棕櫚酸甲酯、棕櫚酸乙酯折射率的試驗數據、各自的擬合方程、試驗值與方程(4)計算值的偏差。從圖3中可以看出，兩種物質折射率隨溫度升高而線性降低，與方程計算值偏差較小，並且在測量不確定度範圍之內。棕櫚酸乙酯的折射率略小於棕櫚酸甲酯，兩種物質的折射率隨溫度變化的斜率相近。

表6 棕櫚酸甲酯/棕櫚酸乙酯折射率方程(4)的擬合係數

樣品 n0 n1

棕櫚酸甲酯 1.55702 -3.96114×10⁻⁴

棕櫚酸乙酯 1.55604 -3.95727×10⁻⁴

圖3 棕櫚酸甲酯、棕櫚酸乙酯的折射率及其與方程(4)計算值的偏差