為了獲得氫氟醚HFE7000、HFE7200的表面張力和黏度參數,補充現有數據不足,為其作為電子元器件的冷卻介質、工業清洗劑等工程應用提供技術支持,采用表面光散射實驗系統,對HFE7000、HFE7200在293～393 K溫度范圍內飽和狀態下的表面張力和黏度進行了實驗研究,共計得到44組實驗數據。利用得到的實驗數據,擬合得到了HFE7000、HFE7200的表面張力和黏度計算方程。其中,表面張力方程計算值和實驗數據之間的絕對偏差在±0.1 mN·m-1以內,黏度方程計算值和實驗數據之間的相對偏差在2%以內。所獲得的表面張力和黏度實驗數據以及計算方程,可為HFE7000、HFE7200的工程應用提供基礎熱物性數據。

氫氟醚HFE7000、HFE7200具有良好的物化性質和環境性能,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還具有高揮發性、低表面張力,可作為電子元器件的冷卻介質,還可以替代HCFC-141b、HFC-43-10mee作為工業清洗劑。在能源領域,HFE7000還可作為朗肯循環工質,用來回收低溫熱源的低品位能量。

表1 HFE7000和HFE7200的基本性質

注:μ為電偶極矩。

表面張力和黏度是流體重要的物性參數,在工質相變傳熱和傳質過程的計算中具有重要的作用。目前,涉及HFE7000和HFE7200的熱物性數據均源于3M公司提供的產品說明,且僅提供25℃下的單點值。從熱物性測量的角度分析,3M公司提供的數據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管密度計測量了HFE7000和HFE7200在283～363 K、0～100 MPa的密度。本文采用表面光散射實驗系統研究了HFE7000、HFE7200在飽和狀態下、293～393 K溫度范圍的表面張力和黏度,為其進一步的工程應用提供了基礎熱物性數據。

1實驗

1.1實驗材料

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

1.2實驗原理

對于沒有外界振動影響的氣液界面(純質也稱為表面),由于分子的熱運動引起密度漲落會在液面上形成波動,即表面波。表面波的波長為微米級,振幅為納米級。表面波的波動特性由液體的表面張力、黏度和密度性質決定,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間;m=(q2+iαρ/η)1/2,m′=(q2+iαρ′/η′)1/2,其中未知參數q、η、η′、ρ、ρ′分別為表面波波數、液相黏度、氣相黏度、液相密度、氣相密度;σ為表面張力。

參數ω、τc和q通過實驗的方法獲得。由于式(1)是復數方程,因此η、η′、ρ、ρ′和σ這5個參數知其中3個便可以求得剩余2個。對于HFE7000和HFE7200,其氣相參數η′和ρ′可以通過估算得到,ρ是采用實驗室利用振動管密度計已經獲得的實驗數據,因此通過求解式(1)便可以獲得高精度的σ和η值。

在實驗過程中,借助幾何光學,q可由下式計算得到

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

由于表面波信號較弱,在頻域范圍內直接測量ω難度較大,因此采用被表面波散射的散射光的時間相關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,散射光強度時間相關方程可以表示，式中:A為相關函數的基線;B為比例常數;φ為相位偏移量,表征了提取到的表面波功率譜相對于標準洛侖茲函數的偏差。因此,通過擬合散射光強度時間相關方程即可以獲得ω和τc。