1.2 表面光散射法

两种酯类的表面张力和黏度由表面光散射法同时获得。图1为表面光散射试验系统图，光源采用单纵模激光器(瑞典Cobolt公司 Cobolt 05-01)，功率为1W。测量时，低温下由于散射信号较弱而采用较大的功率(300mW~500mW)；高温下散射信号较强，可以适当降低入射光的功率，尤其是接近临界温度时，仅需几毫瓦即可完成测量。信号采集采用雪崩光电二极管(APD)单光子计数器(美国Excelitas公司SPCM-AQRH-14-FC)，两路APD同时采集散射光信号，利用两路信号之间存在光程差消除单个APD的后脉冲效应。经两路APD光电转化后，利用数字相关器(德国ALV公司 ALV-LinCorr)对两路信号进行时间互相关计算，进而提取流体表面波所携带的频率和弛豫时间信息。试验样品池的材料为316型不锈钢，将加热丝均匀缠绕在试验样品池表面用于精确控制其温度，温度控制采用Fluke 2100p高精度温度控制器。温度测量采用标定过的铂电阻温度计Pt100，其实际测温精度接近于二等标准铂电阻温度计。试验系统的温度控制和测量范围为298K~573K，温度的稳定性为±5mK/(2h)，温度测量精度为±25mK(置信水平为95%)。试验系统测量表面张力和黏度的扩展不确定度(置信水平为95%)分别为1%和2%。该试验系统已成功测量过制冷剂、燃料、离子液体等多种类型流体工质，详细的系统构建和表面光散射理论可见相关文献。

图1 表面光散射试验系统图

1.3 密度和折射率的测量方法

密度测量采用安东帕 DMA4200M U型管密度计，测量的温度范围为293K~473K，温度测量不确定度为30mK。测量前，采用空气和标准油进行了标定，并利用正十二烷在293K~453K温度范围内对仪器进行了检验，试验值与NIST REFPROP参考值的最大偏差为0.16%，平均绝对偏差为0.07%。折射率测量采用安东帕Abbemat550折射率仪，温度范围为278K~358K，温度测量不确定度为30mK。该折射率仪由德国国家计量研究院(PTB)校准，折射率测量的准确度为±0.0002。

2 试验结果与讨论

2.1 密度

本文在313.15K~473.15K温度范围内测量了两种棕榈酸酯类的液相密度，其试验数据列于表3之中。

表3 棕榈酸甲乙酯的液相密度

T/K ρl/(kg·m⁻³) T/K ρl/(kg·m⁻³)

棕榈酸甲酯 棕榈酸乙酯 棕榈酸甲酯 棕榈酸乙酯

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

将两种样品的密度数据拟合为多项式的形式:

ρ = ρ0 + ρ1T + ρ2T² (2)

密度偏差计算公式为:

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

式中，ρ0、ρ1和ρ2为拟合系数，见表4；ρl exp和ρl calc为密度试验值和计算值，kg/m³。图2为棕榈酸甲酯、棕榈酸乙酯的密度及其与方程(2)计算值的偏差。棕榈酸甲酯和棕榈酸乙酯的密度试验值与计算值的最大偏差分别为-0.089%与-0.078%，平均绝对偏差分别为0.033%与0.013%。图2显示，两种物质的密度随温度升高而降低，其变化规律可以用二次多项式较为准确地描述，试验测量值与方程计算值的偏差大部分在±0.04%范围之内。两种物质的密度在同一温度下较为接近，且随温度变化的斜率基本接近。

表4 棕榈酸甲酯、棕榈酸乙酯密度方程(2)的拟合系数

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

棕榈酸甲酯 1082.58701 -7.47900×10⁻¹ 1.84211×10⁻³

棕榈酸乙酯 1072.73668 -7.26650×10⁻¹ -3.99897×10⁻⁶

图2 棕榈酸甲酯、棕榈酸乙酯的密度及其与方程(2)计算值的偏差

2.2 折射率

利用全反射法测量了棕榈酸甲酯、棕榈酸乙酯的折射率(n)，鉴于棕榈酸甲酯的熔点高于棕榈酸乙酯，故测量温度范围分别为308.15K~358.15K与313.15K~358.15K，每个温度点测量2次以上并取平均值，结果列于表5中。

表5 棕榈酸甲乙酯的折射率

T/K 折射率

棕榈酸甲酯 棕榈酸乙酯

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

将两种物质的折射率数据拟合成式(4)所示的线性函数形式。

n = n0 + n1T (4)

折射率偏差计算公式为:

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

式中，n0和n1为拟合系数，见表6；nexp和ncalc分别为折射率试验值和计算值。经计算可得，棕榈酸甲酯折射率试验值与方程(4)计算值的最大偏差为0.008%，平均绝对偏差为0.004%；棕榈酸乙酯折射率试验值与方程(4)计算值的最大偏差为0.007%，平均绝对偏差为0.004%。图3描述了棕榈酸甲酯、棕榈酸乙酯折射率的试验数据、各自的拟合方程、试验值与方程(4)计算值的偏差。从图3中可以看出，两种物质折射率随温度升高而线性降低，与方程计算值偏差较小，并且在测量不确定度范围之内。棕榈酸乙酯的折射率略小于棕榈酸甲酯，两种物质的折射率随温度变化的斜率相近。

表6 棕榈酸甲酯/棕榈酸乙酯折射率方程(4)的拟合系数

样品 n0 n1

棕榈酸甲酯 1.55702 -3.96114×10⁻⁴

棕榈酸乙酯 1.55604 -3.95727×10⁻⁴

图3 棕榈酸甲酯、棕榈酸乙酯的折射率及其与方程(4)计算值的偏差