為了獲得氫氟醚HFE7000、HFE7200的表面張力和黏度參數(shù),補(bǔ)充現(xiàn)有數(shù)據(jù)不足,為其作為電子元器件的冷卻介質(zhì)、工業(yè)清洗劑等工程應(yīng)用提供技術(shù)支持,采用表面光散射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),對HFE7000、HFE7200在293～393 K溫度范圍內(nèi)飽和狀態(tài)下的表面張力和黏度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,共計(jì)得到44組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。利用得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),擬合得到了HFE7000、HFE7200的表面張力和黏度計(jì)算方程。其中,表面張力方程計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的絕對偏差在±0.1 mN·m-1以內(nèi),黏度方程計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的相對偏差在2%以內(nèi)。所獲得的表面張力和黏度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及計(jì)算方程,可為HFE7000、HFE7200的工程應(yīng)用提供基礎(chǔ)熱物性數(shù)據(jù)。

氫氟醚HFE7000、HFE7200具有良好的物化性質(zhì)和環(huán)境性能,是多種化工合成物的原料。如表1所示,HFE7000、HFE7200的臭氧破壞潛能(ODP)均為0,溫室效應(yīng)潛能(GWP)分別為370和55,大氣壽命為4.9和0.77 a。此外,HFE7000、HFE7200還具有高揮發(fā)性、低表面張力,可作為電子元器件的冷卻介質(zhì),還可以替代HCFC-141b、HFC-43-10mee作為工業(yè)清洗劑。在能源領(lǐng)域,HFE7000還可作為朗肯循環(huán)工質(zhì),用來回收低溫?zé)嵩吹牡推肺荒芰俊?

表1 HFE7000和HFE7200的基本性質(zhì)

注:μ為電偶極矩。

表面張力和黏度是流體重要的物性參數(shù),在工質(zhì)相變傳熱和傳質(zhì)過程的計(jì)算中具有重要的作用。目前,涉及HFE7000和HFE7200的熱物性數(shù)據(jù)均源于3M公司提供的產(chǎn)品說明,且僅提供25℃下的單點(diǎn)值。從熱物性測量的角度分析,3M公司提供的數(shù)據(jù)并未給出測量方法和測量的不確定度,可信度較低。本課題組利用高壓振動(dòng)管密度計(jì)測量了HFE7000和HFE7200在283～363 K、0～100 MPa的密度。本文采用表面光散射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究了HFE7000、HFE7200在飽和狀態(tài)下、293～393 K溫度范圍的表面張力和黏度,為其進(jìn)一步的工程應(yīng)用提供了基礎(chǔ)熱物性數(shù)據(jù)。

1實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)材料

HFE7000、HFE7200由美國3M公司提供,純度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為99.5%,采用水分分析儀測量得到含水量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))小于0.01%。

1.2實(shí)驗(yàn)原理

對于沒有外界振動(dòng)影響的氣液界面(純質(zhì)也稱為表面),由于分子的熱運(yùn)動(dòng)引起密度漲落會在液面上形成波動(dòng),即表面波。表面波的波長為微米級,振幅為納米級。表面波的波動(dòng)特性由液體的表面張力、黏度和密度性質(zhì)決定,通過對表面波色散方程的求解,即可以獲得液體的表面張力和黏度,如下式所示

式中:α=ω±iΓ為表面波復(fù)頻率,ω表征表面波單頻率,Γ=1/τc表征表面波衰減,τc為表面波衰減的特征時(shí)間;m=(q2+iαρ/η)1/2,m′=(q2+iαρ′/η′)1/2,其中未知參數(shù)q、η、η′、ρ、ρ′分別為表面波波數(shù)、液相黏度、氣相黏度、液相密度、氣相密度;σ為表面張力。

參數(shù)ω、τc和q通過實(shí)驗(yàn)的方法獲得。由于式(1)是復(fù)數(shù)方程,因此η、η′、ρ、ρ′和σ這5個(gè)參數(shù)知其中3個(gè)便可以求得剩余2個(gè)。對于HFE7000和HFE7200,其氣相參數(shù)η′和ρ′可以通過估算得到,ρ是采用實(shí)驗(yàn)室利用振動(dòng)管密度計(jì)已經(jīng)獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),因此通過求解式(1)便可以獲得高精度的σ和η值。

在實(shí)驗(yàn)過程中,借助幾何光學(xué),q可由下式計(jì)算得到

式中:λ0為入射光波長;Θi為入射角,本文取Θi=3°～4.5°,由高精度旋轉(zhuǎn)臺測量得到。

由于表面波信號較弱,在頻域范圍內(nèi)直接測量ω難度較大,因此采用被表面波散射的散射光的時(shí)間相關(guān)方程來描述表面波的頻率特征。對于本文研究的振蕩衰減的表面波,散射光強(qiáng)度時(shí)間相關(guān)方程可以表示，式中:A為相關(guān)函數(shù)的基線;B為比例常數(shù);φ為相位偏移量,表征了提取到的表面波功率譜相對于標(biāo)準(zhǔn)洛侖茲函數(shù)的偏差。因此,通過擬合散射光強(qiáng)度時(shí)間相關(guān)方程即可以獲得ω和τc。