一種基于分析天平的界面張力和接觸角測試裝置和方法
【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、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，樣品臺一側(cè)固定安裝在升降系統(tǒng)的輸出端，樣品臺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。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、電力等各個行業(yè)領(lǐng)域，具有極高的推廣價值。
【專利說明】一種基于分析天平的界面張力和接觸角測試裝置和方法

【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 或者側(cè)掛托盤的結(jié)構(gòu)，增加一套升降機構(gòu)，實現(xiàn)界面張力、表面張力以及接觸角測值的裝 置。通過本裝置，可以實現(xiàn)一個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量，達(dá)到一機多用的目的。在測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)，動態(tài)測試表面張力、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、電力等各個行業(yè)領(lǐng)域，具有極高的推廣價值。

【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)對被濕潤固體的物質(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試液一氣表面張力或液一液界面張力的經(jīng)典 方法。通過將白金板更換成已知潤濕周長的固體樣品，在液體表面張力值已知的情況下， 可以測試固一液一氣三相間的接觸角值，即眾所周知的潤濕天平或動態(tài)接觸角技術(shù)。應(yīng)用 白金環(huán)法或者白金板法測試表面張力、界面張力或接觸角的裝置已經(jīng)實現(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、承德試驗機廠等公司。從商業(yè)化的儀器來看，其技術(shù)特點主要體現(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，通過下掛稱鉤聯(lián)接白金板 或白金環(huán)后完成測試目的；（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 9 =〇，cose =1)。
[0003] 國內(nèi)外的已經(jīng)公開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，特別在中國相關(guān)專利達(dá)到了近30項。總體來看的情況如下：（1)對測試 探針(如板或環(huán)）的改進的，包括ZL 200620131314.6《一種液體表面張力系數(shù)測定儀》、 ZL02246571.5《表面張力測量吊片》、ZL200910116749. 1《一種液體表面張力系數(shù)測量儀 器》等；這些專利與本專利所述求的技術(shù)沒有關(guān)系而不影響本專利的創(chuàng)新性；（2)對稱重 傳感器的改進的，包括ZL01216371《液體界面張力儀》、ZL01254339.X《一種液體表面張 力系數(shù)測定儀》、ZL200520039453. 1《一種自動液體表面張力檢測儀》、ZL 200610054181. 1 《變溫液體表面張力系數(shù)測定實驗裝置》、ZL 200620051680.0《一種液體表面張力系數(shù)測 定儀》、ZL 201120020899.5《自動界面張力測定儀》等，其創(chuàng)新點在于采用了扭力絲或改 進了扭力絲傳感器、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)的情況下增加一個升降機構(gòu)）不存在沖突，因而不影響 本專利的創(chuàng)新性；（3)對樣品池溫度控制或樣品臺等部分結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，包括ZL02213618. 5 《液體表面張力測定用樣品臺》、ZL200820208896. 2《一種測定液體表面張力系數(shù)的實驗 裝置》、ZL201120008560. 3《化學(xué)教學(xué)用液體表面張力系數(shù)測量裝置》等，由于涉及的創(chuàng) 新點與本專利無關(guān)，也不影響本專利的創(chuàng)新性；（4)表面張力測試整體結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，包 括ZL 201020159905.0《白金板法測試液-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 張力測定方法》（日本KYOWA手動表面張力儀）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)書中均進行了一個比較好的總結(jié)分析，主要涉及了白金板的表面處理 技術(shù)(打包)、白金板法的垂直問題、白金板法角點潤濕問題等改進白金板法，提升測試精 度等。但對于測試表面張力值，液面在固（板）一液一氣三相形成的曲面是否真正形成了 一個零接觸角均未作出描述；對液面以上部分的浮力是否進行了修正，影響是多少也未 進行描述；如果動態(tài)修正接觸角值和浮力值從而也是一個從未涉及的領(lǐng)域。從實際情況 來看，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。雖然事實情況下，通過光學(xué)接觸角儀我們測得的相 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存在，我們無法在經(jīng)典的力 學(xué)公式白金板法的公式中將COS0項視為等于1。因而，本專利的測試方法中，我們提 出了一個全新的解法，可以成為動態(tài)修正接觸角值和浮力值，提升白金板法測試表面張 力、接觸角和界面張力的關(guān)鍵技術(shù)。在實施表面張力或界面張力的測試方法上，目前主 要包括四種技術(shù)：（1)接觸法（Detachment method法)，此種方法的特點在于板剛接觸到 樣品后即停止，此時認(rèn)為浮力為零，再通過簡單的力學(xué)法公式計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 §，從實際應(yīng)用來 看，這種方法為靜態(tài)表面張力測試方法且無法用于測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 點為將白金板強制浸入一定的深度如1mm，修正此高度的浮力值后，通過力學(xué)白金板法計 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)。見附圖2白金板法測試技術(shù)。從如上各個方 法來看，其特點均在于所使用的方法為簡單的力學(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白金板的浮力為零。見附圖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)，簡單 的計算得出液體的高度，但對于接觸角值并沒有進行全面的修正。這項技術(shù)與本專利所述 根據(jù)液體潤濕速度、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 現(xiàn)了一機多用既可以測試表面張力、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。在測試算法上，本專利引入一套全新的計算基于白金板法原理的表面張 力、接觸角和界面張力測試方法，以解決動態(tài)修正浮力、接觸角，提升表面張力測試精度的 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 等各個行業(yè)領(lǐng)域，具有極高的推廣價值。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本專利為實現(xiàn)如上目的，本專利表面張力測試裝置的結(jié)構(gòu)組成、部件選用及其聯(lián) 結(jié)關(guān)系和白金板法測試表面張力的算法等各個方面均作了精心設(shè)計。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、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，樣品臺一側(cè)固定安裝在升降系統(tǒng)的輸出端，樣品臺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、升降運動面板、限位開關(guān)、絲桿、滑塊、導(dǎo)軌系 統(tǒng)、聯(lián)軸器、控制接口，手輪位于電機的上方并與電機相連接，電機固定到殼體上，電機的輸 出端通過聯(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)置有一個限位開關(guān)。
[0008] 所述稱重系統(tǒng)的樣品支架設(shè)計成C形，C形的樣品支架底部固定到分析天平的托 盤孔內(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，稱重傳感器安裝在樣品臺的下方或后方，稱重傳感 器與單片機電連接。
[0010] 基于分析天平的界面張力和接觸角測試裝置的界面張力和接觸角測試算法，該算 法采用一套結(jié)合液體潤濕速度、白金板力學(xué)法、Young-Laplace方程相結(jié)合的靜置式白金板 法來測試，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，在計算公式中利用了液體潤濕速度公式、白金板力學(xué)法公 式、Young-Laplace方程三個方程，并聯(lián)立求解，得到表面張力、潤濕高度以及接觸角值，在 計算方法時采用了理論曲線與實際曲線最小二乘逼近的方式。
[0011] 該算法簡化了的白金板法計算公式，采用了 lmN/m=0. 048544mg/m或ImN/ m=0. 049456mg作為計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、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，樣品臺一側(cè)固定安裝在升降系統(tǒng)的輸出端，樣品臺上安裝有恒 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試裝置，其特征在于， 所述升降系統(tǒng)由殼體、手輪、電機、升降運動面板、限位開關(guān)、絲桿、滑塊、導(dǎo)軌系統(tǒng)、聯(lián)軸器、 控制接口，手輪位于電機的上方并與電機相連接，電機固定到殼體上，電機的輸出端通過聯(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) 置有一個限位開關(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試裝置，其特征在于， 所述稱重系統(tǒng)的樣品支架設(shè)計成C形，C形的樣品支架底部固定到分析天平的托盤孔內(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試裝置，其特征在于， 還包括稱重傳感器和單片機，稱重傳感器安裝在樣品臺的下方或后方，稱重傳感器與單片 機電連接。
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試裝置的界面張力和接 觸角測試算法，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，被測液體同時被升起，保持白金 板法靜置不動；查找液體液面，【具體實施方式】如下，通過設(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)計公式：
其中：如上公式（1)為白金板法Young-Laplace公式；w為白金板長度，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為液面曲面的長度，y和h為 液面曲面的高度，t為時間，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為潤濕速度，n為樣品粘度；在液體一接觸到白金板后即會在白金板表面爬升，軟件 動態(tài)記錄相應(yīng)的爬升速度，并采用聯(lián)立公式2, 3, 6,使用龍格庫拉或歐拉法法求解方法，擬 合得到實際（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)的測力值即會 保持不變，如果被測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；在 應(yīng)用時，取其中一段時間的變化曲線作為速度值； 三、 聯(lián)立方程組1，4, 5采用龍格庫拉或歐拉法法求解方程組，并將求解得出，對于任意 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 線上的各個坐標(biāo)點（xi，yi)，計算得出相應(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，完成液面曲面包圍液體的浮力計算； 五、 對于動態(tài)表面張力測試過程中，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，采用初始計算得出的接觸角值參與最終計算。
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試裝置的界面張 力和接觸角測試算法，其特征在于，該算法簡化了的白金板法計算公式，采用了lmN/ m=0. 048544mg/m或lmN/m=0. 049456mg作為計算表面張力的單位換算公式。
【文檔編號】G01N13/02GK104406892SQ201410722554
【公開日】2015年3月11日 申請日期: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 申請人:上海梭倫信息科技有限公司