一種基于分析天平的界面張力和接觸角測(cè)試裝置和方法
【專利摘要】本專利公布了一種基于分析天平的界面張力和接觸角測(cè)試裝置和方法，包括：升降系統(tǒng)、升降系統(tǒng)支架、恒溫樣品池、樣品臺(tái)、稱重系統(tǒng)，所述稱重系統(tǒng)包括白金板、白金板支架、掛鉤支架、樣品支架、分析天平，樣品臺(tái)一側(cè)固定安裝在升降系統(tǒng)的輸出端，樣品臺(tái)上安裝有恒溫樣品池，恒溫樣品池中設(shè)置有白金板，白金板通過(guò)白金板支架和掛鉤支架安裝在樣品支架頂端，樣品支架底端安裝在分析天平上?？蓮V泛應(yīng)用于日化、農(nóng)藥、石油化工、表面活性劑研究、消防、電力等各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域，具有極高的推廣價(jià)值。
【專利說(shuō)明】一種基于分析天平的界面張力和接觸角測(cè)試裝置和方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本專利公布了一種采用分析天平作為稱重傳感器，利用分析天平現(xiàn)有的上置托盤(pán) 或者側(cè)掛托盤(pán)的結(jié)構(gòu)，增加一套升降機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)界面張力、表面張力以及接觸角測(cè)值的裝 置。通過(guò)本裝置，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)儀器完成分析天平稱重、密度天平以及稱重原理下的表/界 面張力和接觸角的測(cè)量，達(dá)到一機(jī)多用的目的。在測(cè)試方法上采用了基于Young-Laplace方程修正并結(jié)合Wilhelmy板法公式的靜置式白金板法技術(shù)，動(dòng)態(tài)測(cè)試表面張力、接觸角和 界面張力值。本專利涉及的技術(shù)可廣泛應(yīng)用于日化、農(nóng)藥、石油化工、表面活性劑研究、消 防、電力等各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域，具有極高的推廣價(jià)值。

【背景技術(shù)】
[0002] 白金板法（Wilhelmy plate method)作為一種經(jīng)典的方法由L. Wilhelmyl863年提 出（關(guān)于酒精毛細(xì)常數(shù)對(duì)被濕潤(rùn)固體的物質(zhì)和形狀的依賴性Ueber die Abhangigkeit der Capillaritats - Constanten des Alkohols von Substanz und Gestalt des benetzlen festen Korpers，Von.Ludwig Wilhelmy，Ann. Phys.，119, 177(1863))?這種方法與白 金環(huán)法（DuNouy ring) -起組成了稱重原理測(cè)試液一氣表面張力或液一液界面張力的經(jīng)典 方法。通過(guò)將白金板更換成已知潤(rùn)濕周長(zhǎng)的固體樣品，在液體表面張力值已知的情況下， 可以測(cè)試固一液一氣三相間的接觸角值，即眾所周知的潤(rùn)濕天平或動(dòng)態(tài)接觸角技術(shù)。應(yīng)用 白金環(huán)法或者白金板法測(cè)試表面張力、界面張力或接觸角的裝置已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化，包括 Kruss、Dataphysics、KSV、Cahn、Kyowa、USA KINO、上海梭倫信息科技有限公司、上海中晨 數(shù)字技術(shù)有限公司、承德試驗(yàn)機(jī)廠等公司。從商業(yè)化的儀器來(lái)看，其技術(shù)特點(diǎn)主要體現(xiàn)為： (1)采用經(jīng)典的傳感器聯(lián)接結(jié)構(gòu)，即傳感器位于整體結(jié)構(gòu)的上方，通過(guò)下掛稱鉤聯(lián)接白金板 或白金環(huán)后完成測(cè)試目的；（2)表面張力的算法上采用了經(jīng)典的算法，如采用了 C. Huh and S. G. Mason或Zuidema & Waters修正的白金環(huán)法（DuNouy法）和簡(jiǎn)單力學(xué)公式法的白金 板法（cj=F..:(2*(w-d)*eos?，當(dāng)采用鉬金板法時(shí) 9 =〇，cose =1)。
[0003] 國(guó)內(nèi)外的已經(jīng)公開(kāi)的專利中與表面張力相關(guān)的專利非常多，涉及的原理包括了 稱重法、最大氣泡法、滴體積法、毛細(xì)管法、激光法等等。其中，與本專利相關(guān)的稱重法 的專利最多，特別在中國(guó)相關(guān)專利達(dá)到了近30項(xiàng)?？傮w來(lái)看的情況如下：（1)對(duì)測(cè)試 探針(如板或環(huán)）的改進(jìn)的，包括ZL 200620131314.6《一種液體表面張力系數(shù)測(cè)定儀》、 ZL02246571.5《表面張力測(cè)量吊片》、ZL200910116749. 1《一種液體表面張力系數(shù)測(cè)量?jī)x 器》等；這些專利與本專利所述求的技術(shù)沒(méi)有關(guān)系而不影響本專利的創(chuàng)新性；（2)對(duì)稱重 傳感器的改進(jìn)的，包括ZL01216371《液體界面張力儀》、ZL01254339.X《一種液體表面張 力系數(shù)測(cè)定儀》、ZL200520039453. 1《一種自動(dòng)液體表面張力檢測(cè)儀》、ZL 200610054181. 1 《變溫液體表面張力系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)裝置》、ZL 200620051680.0《一種液體表面張力系數(shù)測(cè) 定儀》、ZL 201120020899.5《自動(dòng)界面張力測(cè)定儀》等，其創(chuàng)新點(diǎn)在于采用了扭力絲或改 進(jìn)了扭力絲傳感器、或引入新的傳感器(如應(yīng)變片傳感器、分析天平）等，與本專利所述的 創(chuàng)新性結(jié)構(gòu)（不改變分析天平結(jié)構(gòu)的情況下增加一個(gè)升降機(jī)構(gòu)）不存在沖突，因而不影響 本專利的創(chuàng)新性；（3)對(duì)樣品池溫度控制或樣品臺(tái)等部分結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，包括ZL02213618. 5 《液體表面張力測(cè)定用樣品臺(tái)》、ZL200820208896. 2《一種測(cè)定液體表面張力系數(shù)的實(shí)驗(yàn) 裝置》、ZL201120008560. 3《化學(xué)教學(xué)用液體表面張力系數(shù)測(cè)量裝置》等，由于涉及的創(chuàng) 新點(diǎn)與本專利無(wú)關(guān)，也不影響本專利的創(chuàng)新性；（4)表面張力測(cè)試整體結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，包 括ZL 201020159905.0《白金板法測(cè)試液-氣表面張力和液-液界面張力的儀器》、ZL 201120065224. 2《一種液體鉬金環(huán)法表面/界面張力儀》、日本專利JP2001099772A《表面 張力測(cè)定方法》（日本KYOWA手動(dòng)表面張力儀）等，這些專利的結(jié)構(gòu)采用了與專利不一致的 聯(lián)結(jié)關(guān)系，因而也不影響本專利的創(chuàng)新性。
[0004]作為一種方法，白金板法（Wilhelmy Plate method)在 A. I. Rusanov 的 《Interfacial tensiometry》、Arthur. W. Adamson 的《Physical Chemistry of Surface》和 J. Lyklema 的〈〈Fundamentals of Interfae and Colloid Science)) Vol 3, Liquid-Fluid interfaces等專業(yè)書(shū)中均進(jìn)行了一個(gè)比較好的總結(jié)分析，主要涉及了白金板的表面處理 技術(shù)(打包)、白金板法的垂直問(wèn)題、白金板法角點(diǎn)潤(rùn)濕問(wèn)題等改進(jìn)白金板法，提升測(cè)試精 度等。但對(duì)于測(cè)試表面張力值，液面在固（板）一液一氣三相形成的曲面是否真正形成了 一個(gè)零接觸角均未作出描述；對(duì)液面以上部分的浮力是否進(jìn)行了修正，影響是多少也未 進(jìn)行描述；如果動(dòng)態(tài)修正接觸角值和浮力值從而也是一個(gè)從未涉及的領(lǐng)域。從實(shí)際情況 來(lái)看，液面在固（板）一液一氣三相形成的曲面與板之間形成的接觸角值很少是零度，或 根本不可能是零度。如附圖1所示。雖然事實(shí)情況下，通過(guò)光學(xué)接觸角儀我們測(cè)得的相 應(yīng)液體在固體表面的接觸角值是零度，但由于此曲面的真實(shí)存在，我們無(wú)法在經(jīng)典的力 學(xué)公式白金板法的公式中將COS0項(xiàng)視為等于1。因而，本專利的測(cè)試方法中，我們提 出了一個(gè)全新的解法，可以成為動(dòng)態(tài)修正接觸角值和浮力值，提升白金板法測(cè)試表面張 力、接觸角和界面張力的關(guān)鍵技術(shù)。在實(shí)施表面張力或界面張力的測(cè)試方法上，目前主 要包括四種技術(shù)：（1)接觸法（Detachment method法)，此種方法的特點(diǎn)在于板剛接觸到 樣品后即停止，此時(shí)認(rèn)為浮力為零，再通過(guò)簡(jiǎn)單的力學(xué)法公式計(jì)算得出表面張力值等于 0zF/(2*(w-d)孝COS? ;(2)經(jīng)典的白金板法（max pull)，其特點(diǎn)在于將白金板浸入 樣品后，再拉升，在得到最大值后，表面張力等于〇 =F/( 2* (W-rf) *c〇s §，從實(shí)際應(yīng)用來(lái) 看，這種方法為靜態(tài)表面張力測(cè)試方法且無(wú)法用于測(cè)試表面活性劑和有粘度樣品；（3)零 浮力法zero-buoyancy method,這種方法的特點(diǎn)為白金板接觸到液面后繼續(xù)浸入一定深度 如2mm，再將白金板拉回2mm至液面差不多的高度，此時(shí)假設(shè)浮力為零、接觸角為零，表面 張力等于〇 =F/ ( 2*(W^d) *eos 0 ; (4)浸入深度法immersion method,這種方法的特 點(diǎn)為將白金板強(qiáng)制浸入一定的深度如1mm，修正此高度的浮力值后，通過(guò)力學(xué)白金板法計(jì) 算出表面張力值（Ff?s，F(xiàn):g力〉.'（2*(W-d)*COS 6)。（參考：In situ force-balance tensiometry,G. S. Lapham, D. R. Dowling, ff. ff. Schult,Experiments in Fluids 27 (1999) 157 - 166，Springer-Verla，1999)。見(jiàn)附圖2白金板法測(cè)試技術(shù)。從如上各個(gè)方 法來(lái)看，其特點(diǎn)均在于所使用的方法為簡(jiǎn)單的力學(xué)公式條件下的白金板法、均假設(shè)接觸角 值為零以及均假設(shè)爬升液體曲面包圍的液體對(duì)白金板的浮力為零。見(jiàn)附圖3白金板法基本 原理圖。雖然2005年，上海梭倫信息科技有限公司在研制的表面張力儀A201以及A601型 中創(chuàng)新性的提出了一種基于彈性系數(shù)和Young-Laplace方程修正的白金板算法，但其核心 技術(shù)為采用了簡(jiǎn)單的Young-Laplace方程結(jié)合分析天平或扭力絲傳感器的杠桿系數(shù)，簡(jiǎn)單 的計(jì)算得出液體的高度，但對(duì)于接觸角值并沒(méi)有進(jìn)行全面的修正。這項(xiàng)技術(shù)與本專利所述 根據(jù)液體潤(rùn)濕速度、力學(xué)公式和Young-Laplace公式修正結(jié)合的算法并不一致，所以，表面 張力儀A201型或A601型的技術(shù)不影響本專利的創(chuàng)新性。
[0005] 本專利創(chuàng)新性的提出了一個(gè)全新的聯(lián)結(jié)關(guān)系，充分利用了分析天平原有結(jié)構(gòu)，實(shí) 現(xiàn)了一機(jī)多用既可以測(cè)試表面張力、界面張力和接觸角等界面化學(xué)參數(shù)，又可以用作分析 天平和密度天平。在測(cè)試算法上，本專利引入一套全新的計(jì)算基于白金板法原理的表面張 力、接觸角和界面張力測(cè)試方法，以解決動(dòng)態(tài)修正浮力、接觸角，提升表面張力測(cè)試精度的 目的。本專利涉及的技術(shù)可廣泛應(yīng)用于日化、農(nóng)藥、石油化工、表面活性劑研究、消防、電力 等各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域，具有極高的推廣價(jià)值。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本專利為實(shí)現(xiàn)如上目的，本專利表面張力測(cè)試裝置的結(jié)構(gòu)組成、部件選用及其聯(lián) 結(jié)關(guān)系和白金板法測(cè)試表面張力的算法等各個(gè)方面均作了精心設(shè)計(jì)。具體
【發(fā)明內(nèi)容】
如下： 一種基于分析天平的界面張力和接觸角測(cè)試裝置，包括：升降系統(tǒng)、升降系統(tǒng)支架、恒 溫樣品池、樣品臺(tái)、稱重系統(tǒng)，所述稱重系統(tǒng)包括白金板、白金板支架、掛鉤支架、樣品支架、 分析天平，樣品臺(tái)一側(cè)固定安裝在升降系統(tǒng)的輸出端，樣品臺(tái)上安裝有恒溫樣品池，恒溫樣 品池中設(shè)置有白金板，白金板通過(guò)白金板支架和掛鉤支架安裝在樣品支架頂端，樣品支架 底端安裝在分析天平上。
[0007] 所述升降系統(tǒng)由殼體、手輪、電機(jī)、升降運(yùn)動(dòng)面板、限位開(kāi)關(guān)、絲桿、滑塊、導(dǎo)軌系 統(tǒng)、聯(lián)軸器、控制接口，手輪位于電機(jī)的上方并與電機(jī)相連接，電機(jī)固定到殼體上，電機(jī)的輸 出端通過(guò)聯(lián)軸器與絲桿相連接，絲桿上設(shè)有滑塊，滑塊的兩側(cè)設(shè)有導(dǎo)軌系統(tǒng)，絲桿的頂端和 低端分別設(shè)置有一個(gè)限位開(kāi)關(guān)。
[0008] 所述稱重系統(tǒng)的樣品支架設(shè)計(jì)成C形，C形的樣品支架底部固定到分析天平的托 盤(pán)孔內(nèi)，掛鉤支架下方吊掛有白金板。
[0009] 還包括稱重傳感器和單片機(jī)，稱重傳感器安裝在樣品臺(tái)的下方或后方，稱重傳感 器與單片機(jī)電連接。
[0010] 基于分析天平的界面張力和接觸角測(cè)試裝置的界面張力和接觸角測(cè)試算法，該算 法采用一套結(jié)合液體潤(rùn)濕速度、白金板力學(xué)法、Young-Laplace方程相結(jié)合的靜置式白金板 法來(lái)測(cè)試，其步驟為： 一、 白金板查找并接觸到液體樣品后處于靜置狀態(tài)，其顯著特征為白金板一接觸到液 面后立即停止升降； 二、 基于白金板法原理時(shí)，在計(jì)算公式中利用了液體潤(rùn)濕速度公式、白金板力學(xué)法公 式、Young-Laplace方程三個(gè)方程，并聯(lián)立求解，得到表面張力、潤(rùn)濕高度以及接觸角值，在 計(jì)算方法時(shí)采用了理論曲線與實(shí)際曲線最小二乘逼近的方式。
[0011] 該算法簡(jiǎn)化了的白金板法計(jì)算公式，采用了 lmN/m=0. 048544mg/m或ImN/ m=0. 049456mg作為計(jì)算表面張力的單位換算公式。

【權(quán)利要求】
1. 一種基于分析天平的界面張力和接觸角測(cè)試裝置，其特征在于，包括：升降系統(tǒng)、升 降系統(tǒng)支架、恒溫樣品池、樣品臺(tái)、稱重系統(tǒng)，所述稱重系統(tǒng)包括白金板、白金板支架、掛鉤 支架、樣品支架、分析天平，樣品臺(tái)一側(cè)固定安裝在升降系統(tǒng)的輸出端，樣品臺(tái)上安裝有恒 溫樣品池，恒溫樣品池中設(shè)置有白金板，白金板通過(guò)白金板支架和掛鉤支架安裝在樣品支 架頂端，樣品支架底端安裝在分析天平上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于分析天平的界面張力和接觸角測(cè)試裝置，其特征在于， 所述升降系統(tǒng)由殼體、手輪、電機(jī)、升降運(yùn)動(dòng)面板、限位開(kāi)關(guān)、絲桿、滑塊、導(dǎo)軌系統(tǒng)、聯(lián)軸器、 控制接口，手輪位于電機(jī)的上方并與電機(jī)相連接，電機(jī)固定到殼體上，電機(jī)的輸出端通過(guò)聯(lián) 軸器與絲桿相連接，絲桿上設(shè)有滑塊，滑塊的兩側(cè)設(shè)有導(dǎo)軌系統(tǒng)，絲桿的頂端和低端分別設(shè) 置有一個(gè)限位開(kāi)關(guān)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于分析天平的界面張力和接觸角測(cè)試裝置，其特征在于， 所述稱重系統(tǒng)的樣品支架設(shè)計(jì)成C形，C形的樣品支架底部固定到分析天平的托盤(pán)孔內(nèi)，掛 鉤支架下方吊掛有白金板。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于分析天平的界面張力和接觸角測(cè)試裝置，其特征在于， 還包括稱重傳感器和單片機(jī)，稱重傳感器安裝在樣品臺(tái)的下方或后方，稱重傳感器與單片 機(jī)電連接。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于分析天平的界面張力和接觸角測(cè)試裝置的界面張力和接 觸角測(cè)試算法，其特征在于，包括以下步驟： 一、 形成白金板靜置于液體液面的狀態(tài)，升起樣品臺(tái)，被測(cè)液體同時(shí)被升起，保持白金 板法靜置不動(dòng)；查找液體液面，【具體實(shí)施方式】如下，通過(guò)設(shè)置相應(yīng)的閥值或〇.lmg，當(dāng)分析 天平讀到相應(yīng)的重量變化后，即認(rèn)為已經(jīng)找到液面；一旦查找到液面后，樣品臺(tái)即停止上 升，讓白金板保持到樣品近似樣品液面的位置； 二、設(shè)計(jì)公式：
其中：如上公式（1)為白金板法Young-Laplace公式；w為白金板長(zhǎng)度，d為白金板厚 度，Ap為液體密度差，〇為表面張力值，0為接觸角值，x為液面曲面的長(zhǎng)度，y和h為 液面曲面的高度，t為時(shí)間，mass為分析天平稱得的重量，h為液面的爬升高度，g為重力系 統(tǒng)，V為潤(rùn)濕速度，n為樣品粘度；在液體一接觸到白金板后即會(huì)在白金板表面爬升，軟件 動(dòng)態(tài)記錄相應(yīng)的爬升速度，并采用聯(lián)立公式2, 3, 6,使用龍格庫(kù)拉或歐拉法法求解方法，擬 合得到實(shí)際（x，y)曲線，繪制成曲線；當(dāng)液體爬升達(dá)到最大爬升速度后，相應(yīng)的測(cè)力值即會(huì) 保持不變，如果被測(cè)試液體為表面活性劑或有粘度樣品，達(dá)到最大值后，曲線仍有變動(dòng)；在 應(yīng)用時(shí)，取其中一段時(shí)間的變化曲線作為速度值； 三、 聯(lián)立方程組1，4, 5采用龍格庫(kù)拉或歐拉法法求解方程組，并將求解得出，對(duì)于任意 表面張力值、接觸角值和高度的情況下，利用分析繪圖的方式，顯示相應(yīng)的理論曲線以及曲 線上的各個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)（xi，yi)，計(jì)算得出相應(yīng)的高度值h和接觸角值0 ; 四、 將如上步驟二的實(shí)際速度曲線與如上步驟三所述的理論速度曲線采用最小二乘法 擬合，即可得出相應(yīng)的高度和接觸角值；同時(shí)，完成液面曲面包圍液體的浮力計(jì)算； 五、 對(duì)于動(dòng)態(tài)表面張力測(cè)試過(guò)程中，由于體系的密度可視為幾乎不變，相應(yīng)的接觸角變 化范圍很小，為了方便起見(jiàn)，采用初始計(jì)算得出的接觸角值參與最終計(jì)算。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述基于分析天平的界面張力和接觸角測(cè)試裝置的界面張 力和接觸角測(cè)試算法，其特征在于，該算法簡(jiǎn)化了的白金板法計(jì)算公式，采用了lmN/ m=0. 048544mg/m或lmN/m=0. 049456mg作為計(jì)算表面張力的單位換算公式。
【文檔編號(hào)】G01N13/02GK104406892SQ201410722554
【公開(kāi)日】2015年3月11日 申請(qǐng)日期:2014年12月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月4日
【發(fā)明者】施建輝 申請(qǐng)人:上海梭倫信息科技有限公司