为了获得氢氟醚HFE7000、HFE7200的表面张力和黏度参数,补充现有数据不足,为其作为电子元器件的冷却介质、工业清洗剂等工程应用提供技术支持,采用表面光散射实验系统,对HFE7000、HFE7200在293～393 K温度范围内饱和状态下的表面张力和黏度进行了实验研究,共计得到44组实验数据。利用得到的实验数据,拟合得到了HFE7000、HFE7200的表面张力和黏度计算方程。其中,表面张力方程计算值和实验数据之间的绝对偏差在±0.1 mN·m-1以内,黏度方程计算值和实验数据之间的相对偏差在2%以内。所获得的表面张力和黏度实验数据以及计算方程,可为HFE7000、HFE7200的工程应用提供基础热物性数据。

氢氟醚HFE7000、HFE7200具有良好的物化性质和环境性能,是多种化工合成物的原料。如表1所示,HFE7000、HFE7200的臭氧破坏潜能(ODP)均为0,温室效应潜能(GWP)分别为370和55,大气寿命为4.9和0.77 a。此外,HFE7000、HFE7200还具有高挥发性、低表面张力,可作为电子元器件的冷却介质,还可以替代HCFC-141b、HFC-43-10mee作为工业清洗剂。在能源领域,HFE7000还可作为朗肯循环工质,用来回收低温热源的低品位能量。

表1 HFE7000和HFE7200的基本性质

注:μ为电偶极矩。

表面张力和黏度是流体重要的物性参数,在工质相变传热和传质过程的计算中具有重要的作用。目前,涉及HFE7000和HFE7200的热物性数据均源于3M公司提供的产品说明,且仅提供25℃下的单点值。从热物性测量的角度分析,3M公司提供的数据并未给出测量方法和测量的不确定度,可信度较低。本课题组利用高压振动管密度计测量了HFE7000和HFE7200在283～363 K、0～100 MPa的密度。本文采用表面光散射实验系统研究了HFE7000、HFE7200在饱和状态下、293～393 K温度范围的表面张力和黏度,为其进一步的工程应用提供了基础热物性数据。

1实验

1.1实验材料

HFE7000、HFE7200由美国3M公司提供,纯度(质量分数)为99.5%,采用水分分析仪测量得到含水量(质量分数)小于0.01%。

1.2实验原理

对于没有外界振动影响的气液界面(纯质也称为表面),由于分子的热运动引起密度涨落会在液面上形成波动,即表面波。表面波的波长为微米级,振幅为纳米级。表面波的波动特性由液体的表面张力、黏度和密度性质决定,通过对表面波色散方程的求解,即可以获得液体的表面张力和黏度,如下式所示

式中:α=ω±iΓ为表面波复频率,ω表征表面波单频率,Γ=1/τc表征表面波衰减,τc为表面波衰减的特征时间;m=(q2+iαρ/η)1/2,m′=(q2+iαρ′/η′)1/2,其中未知参数q、η、η′、ρ、ρ′分别为表面波波数、液相黏度、气相黏度、液相密度、气相密度;σ为表面张力。

参数ω、τc和q通过实验的方法获得。由于式(1)是复数方程,因此η、η′、ρ、ρ′和σ这5个参数知其中3个便可以求得剩余2个。对于HFE7000和HFE7200,其气相参数η′和ρ′可以通过估算得到,ρ是采用实验室利用振动管密度计已经获得的实验数据,因此通过求解式(1)便可以获得高精度的σ和η值。

在实验过程中,借助几何光学,q可由下式计算得到

式中:λ0为入射光波长;Θi为入射角,本文取Θi=3°～4.5°,由高精度旋转台测量得到。

由于表面波信号较弱,在频域范围内直接测量ω难度较大,因此采用被表面波散射的散射光的时间相关方程来描述表面波的频率特征。对于本文研究的振荡衰减的表面波,散射光强度时间相关方程可以表示，式中:A为相关函数的基线;B为比例常数;φ为相位偏移量,表征了提取到的表面波功率谱相对于标准洛仑兹函数的偏差。因此,通过拟合散射光强度时间相关方程即可以获得ω和τc。