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表面张力仪选购指18问以及相关技术要点

本文以提问的方式为您提供表面张力仪选购中应注意的事项以及回复了表面张力仪的测试技术、测试原理要点。

1、表面张力仪如何分类?

从测试技术来看,目前商业化的表面张力仪可以分为称重法的表面张力仪、光学影像法的表面张力仪和最大气泡法表面张力仪、滴体积法表面张力仪。其中,称重法的表面张力仪的测试原理包括基于Young-Laplace方程的白金板法(Wilhelmy plate method based on Young-Laplace equation correcting)、经典的白金板法(吊板法,零浮力法、Wilhelmy pate method)和白金环法(DuNouy Ring method)。光学影像法的表面张力仪包括悬滴法表面张力仪(Pendant drop method)、停滴法表面张力仪(Sessile drop method,事实应用时通常采用约束停滴法可测试超低界面张力值,最低已测得值可达0.0001mN/m)和旋转滴法界面张力仪(Spinning drop interface tensiometer)、光学法最大气泡法表面张力仪(KINO专利产品,可用于测试油水动态界面张力)。最大气泡法的表面张力仪目前主要包括基于压力传感器的最大气泡法表面张力仪(MBP, max bubble pressure)以及光学法最大气泡法表面张力仪(KINO专利产品,可用于测试油水动态界面张力)。滴体积法表面张力仪主要分为滴体积管(一种玻璃管简易器皿)和滴体积法光栅法测试仪器。其中,最大气泡或液泡法和滴体积法表面张力仪主要应用于测试动态表面张力或界面张力值,是未来界面化学测试的趋势。而界面化学测试的未来最重要的实用工具为界面流变仪。美国科诺(USA KINO)采用了特殊结构的振荡模块,可以实现非常高频率200HZ的分析。
 
2、称重法表面张力仪主要包括哪些测试原理?其显著区别是什么?各自优缺点是什么?
称重法表面张力仪主要是指采用称重传感器作为测试技术的表面张力仪。在测试过程中,采用玻璃板、聚四氟板或白金板(铂金板)、白金环(铂金环)作为测试探头。玻璃板是Wilhelmy、A.W.Neumann教授以及最早的表面张力仪采用的主要探头。而目前主要采用的是白金板和白金环。
白金环法与经典白金板法(零浮力法)的主要区别在于白金环法测试的是最大称重值而经典白金板法是测试一段时间内的平均称重值。但归结起来,其均是静态表面张力测试技术。
而基于Young-Laplace方程修正的白金板法与经典白金板法的显著区别在于,前者无需将白金板浸入后再拉回的动作,而后者通常会将白金板浸入到液面后再拉回的动作。具体区别可参考如下视频:http://v.youku.com/v_show/id_XODQ4Njk5MTI0.html 
白金环法的表面张力仪优点在于无需非常高精度的称重传感器,是一个应用非常长的测试表面张力的仪器。例如现在还在许多公司还在使用Fisher公司的20型表面张力仪即可一个白金环法的表面张力仪。经过专业校准后,这些仪器还在正常使用。上海梭伦可提供相关校准以及维修(如扭力丝等)。而其缺点在于无法测试表面活性剂的表面张力(因其为静态表面张力仪)、无法测试有粘度的样品、白金环易变形成本较高。同时,白金环具有世界标准,因而不符合世界标准设计的白金环无法测准35mN/m以下的表面张力值(因其修正因子此时发生明显变化,也无法符合相应的Young-Laplace方程修正。目前中国制的环(直径是0.6mm的)是不符合世界标准的)。
经典白金板法为各仪仪器厂商主要采用的方法,其优缺点于白金环法一致。同时,该方法无法应用于测试油水界面张力值。具体可采用苯与水的界面张力值作为验证(文献植为35mN/m,20摄氏度时)。通常经典的白金板法仅能够测得29mN/m左右。
基于Young-Laplace方程修正的白金板法其显著特征为具有接触角和浮力修正。(此方法上海梭伦的已经申请专利,专利号201410722554.2),其自动修正浮力和接触角的影响,可以用于测试动态表面张力值(达到平衡表面张力时所需要的时间Te以及Dead time时间,表面活性剂作用时间Ta)。缺点在于对传感器的稳定性要求较高,优点在于测试的精度、重复性以及可信度更高,可用于测试各种表面活性剂的表面张力值以及界面张力值。
 
3、称重法表面张力仪采用的传感器主要有哪些?其稳定性如何?
称重法表面张力仪的传感器主要分为扭力丝传感器、应变电阻称重传感器、分析天平传感器。
其中扭力丝的传感器主要应用白金环法的表面张力仪,由于环的周长比板而言长得多,因而白金环法测试时称重值较大,从而对传感器要求较低。而应变电阻的称重传感器只在极少数的中国产表面张力仪中使用,其精度比较低。分析天平的传感器主要分为中国制的分析天平、梅特勒分析天平以及赛多利斯分析天平。中国制的分析天平技术分为两种技术,一种是全量程分析天平技术、一种是非标小量程分析天平(如最大量程1g左右),后者的技术为上海梭伦第一代技术,其误差较大,特别是天平校准时要求非常高,因而2008年后被弃用了。梅特勒的分析天平主要被应用于美国科诺的表面张力仪中,其精度最高可达1ug,速度可达92数据/秒。赛多利斯的分析天平主要应用于美国科诺的B系列表面张力仪以及国外的表面张力仪中。
如果考虑动态表面张力或界面张力测试技术来看,在采用Young-Laplace方程修正的白金板法,梅特勒的分析天平优于赛多利斯分析天平。主要在于其更新速度更快以及稳定性(漂移更少)。但如果仅应用于测试静态表面张力,如经典的基于零浮力的白金板法或白金环法时,由于本身的测试时间比较长,通常为0.1秒级,此时赛多利斯分析天平与梅特勒分析天平的差异并不是很明显。
但是,白金板法的表面张力仪通常由于其测值精度要求较高,中国制的分析天平不如梅特勒的分析天平。扭力丝以及应变电阻的称重传感器由于其为开环系统,精度以及稳定性均无法与分析天平的传感器相比。
 
4、何谓表面张力仪的更新速度?如何验证表面张力仪称重传感器的更新速度?
表面张力仪的更新速度主要包括仪器的读值速度以及传感器本身的更新速度(UPS update speed)。通常的分析天平均有更新速度,分析天平更新速度的提出是应美国科诺的要求,梅特勒公司对其OEM分析天平针对美国科诺的特别指标。而赛多利斯的OEM分析天平目前没有这个指标提出。具体实测情况下赛多利斯的分析天平通常更新速度为10数据/秒、梅特勒的分析天平通常为46数据/秒或92数据/秒(取决于所采购的型号)。而中国产的分析天平通常为2数据/秒或更低。而表面张力仪的读值速度是指软件从传感器以多快的速度读取值,比如,赛多利斯的分析天平以每秒10数据发送数据,但软件以100Hz或50Hz读取值,此时无法说明传感器的更新速度是100或50数据/秒。这就要求用户对此进行明辨。
验证表面张力仪的称重传感器的更新速度的方法非常简单,采用一个秒表,记录下一段时间内读到的数据量。通常这个时候需要采用串品调试助手。
但是,更为重要的是,如果是用于采用白金环法或经典的白金板法测试表面张力值,那么该表面张力仪的无论是读取速度还是传感器的更新速度情况怎样(只要不是非常低,低于0.1数据/秒),均无法影响到测值结果。因为,这两种方法均是测试静态表面张力值。所以,更新速度对于白金环法和经典白金板法时,意义非不是很大。
 
5、采购表面张力仪主要考虑的因素有哪些?
表面张力仪的采购考虑因素通常被用户所忽视。通常而言,大部分的用户仅考虑价格而把其他因素所忽略。事实上,表面张力仪的选购也有许多要注意的因素。
1)主要应用是什么?是测试固体材料还是液体材料?
2)是否测试油水界面张力值?
3)是否是微乳体系?
4)是否含有表面活性剂?是否包括阳离子表面活性剂?
5)样品是否有粘度?最大粘度是多少?
6)是否需要测试表活剂的动态吸附,需要的精度是多少?或者说是动态表面张力值的吸附反应时间精度,平衡表面张力时间。
7)是否需要控温?温度不同,表面张力值会有变化。
8)是否需要真空或增加压力条件下测值?
9)是否已经对表面张力的主要测试原理有所了解?
10)预算是多少?是否考虑了仪器的可升级性?
 
6、表面张力仪的温度控制主要技术有哪些?要注意哪些方面?
表面张力仪的主要温度控制技术为恒温水槽,美国科诺可以提供基于半导体制冷加热技术的样品池,温度范围可达-20-200摄氏度。温度控制主要注意的是,在高温时(超过60℃),仪器的传感器会受温度影响非常大,此时,表面张力仪的好的结构设计以及隔温处理就非常重要了。如果超过100℃时,仪器的防风门的材料就是需要注意的。很多公司采用了有机玻璃,在高温时或长期使用时,门很容易变形。
 
7、如何采用表面张力仪准确的测试油、水界面张力值?特别是含有表面活性剂的体系的油水界面张力值。
无论是称重原理中的白金环法还是经典的白金板法,由于其均假设白金环或白金板在油水界面时形成了零接触角值,所以,其在应用于测试油水界面张力值时测值结果并不理想。特别是针对含有表面活性剂体系的油水界面张力值时,很容易出现称重值非常低的情况。事实上,接触角的变化在油水界面体系中非常大,通常会从29-129度很大的范围内变动。因而,在有条件时,我们建议用户另行采购基于影像法的界面张力仪,特别是悬滴法或约束停滴法的表面张力仪(我们称其为接触角仪)。后者特别适用于表面活性剂的体系的油水界面张力值的测试。但要注意的是,也不是所有的影像法的界面张力仪就能够采购。在测试时还是有一些特殊的技术的。这个技术美国科诺称其为饱和处理。而如果没有条件时,建议用户采用Young-Laplace方程修正技术白金板法,同时注意做好接触角修正以及饱和处理。
 
8、称重原理的表面张力仪是否需要选购复杂的配件?如密度、接触角等。
这个取决于用户的需求。但是,对于接触角测试我们建议慎重考虑。称重法原理的表面张力仪用于测试接触角值时,通常采用了润湿天平方法(有于测试动态接触角值)以及基于Washburn的渗透法技术测试粉体材料的接触角值。但是,润湿天平法的接触角值与光学法的接触角值测试无法进行对比分析,无可比性。粉末材料采用渗透法测试时,大于60度的接触角的材料无法测试,仅能够进行不同材料的润湿速度的比较,而不是准确的接触角值。而事实上,光学接触角测量仪完全可以完成接触角测试,动态接触角测值,甚至是完成润湿速度的测试(高速相机可达1000帧/秒以上的速度)。因而,我们建议采购专业的接触角分析仪器或密度天平(通常中国产的也就5000元左右人民币。)
 
9、如何理解表面张力仪的样品台升降系统的指标?
样品台的升降系统的主要指标包括升降范围或称为行程范围以及精度。行程范围与精度通常是一个反相关函数。行程越大,螺距越大,控制精度也越差。而在表面张力仪的应用于,位移的精度的重要性优于行程范围。具体来说,在表面张力仪中,0.1um精度的系统优于1um的精度的升降系统。而100mm行程范围的1um精度的系统比50mm行程范围的0.1um的升降系统差。更大的行程范围通常会导致移动时间非常长,因而,对升降系统的速度的要求也会有相应的提高。但是,表面张力测试时,速度更慢优于速度快,移动速度0.1mm/s优于1mm/s。所以,控制精度更高、螺距更小的升降系统是关键考虑指标,而非移动范围或行程范围或最快的移动速度。在写指标要求时,应该明确螺距和控制精度的要求,而无需把移动范围和速度等作为主要指标或重点考虑指标。
例如:如下表格中,后两者均是优于前两个指标项的。

 
指标1
指标2
指标3 A60、A101plus
指标4 A801
移动范围
110
70mm
50
100
分辨率
0.1um
0.1um
0.007um
0.01um
控制绝对精度
 
 
1um
5um
螺距
 
 
0.5mm
1mm

 
10、表面张力仪的传感器的精度对于表面张力测试的影响大吗?
目前商业化的表面张力仪的传感器对于白金环法而言精度是可以满足要求的。但是对于白金板法而言,传感器的精度建议考虑起始精度应该为0.1mg,即万分之一的分析天平。目前,美国科诺的A101Plus、A601以及德国KRUSS的K100C均是满足这个精度的。而上海梭伦于2005年设计的BZY系列BZY-1为千分之一,BZY-2为万分之一,但BZY-2采用的缩小量程的技术,校准砝码为非标砝码,与白金板的匹配不好,因而精度上会相对于全量程的分析天平而言会差许多。
如果应用于测试表面活性剂的表面张力值,且可能会测试表面活性剂体体系的油水界面张力值时,由于微小浓度变化均会对表面张力产生作用,且表面活性剂体系的表面张力范围已经在一个很小的范围内如16-35mN/m,因而,此时的表面张力仪的传感器的要求就会变得非常高,通常建议采购十万分之一的分析天平传感器,如美国科诺的A601Plus(0.01mg, 46数据/秒)、A801(0.01mg, 92数据/秒)或Kruss的K100MK2。但两者的区别在于后者是静态表面张力仪、前者是动态表面张力仪。
 
11、表面张力仪的离子风模块有何作用?
表面张力仪的离子风模块主要用于测试单纤维接触角以及粉末材料时所使用。对于测试环境条件静电比较厉害的情况下,离子风可以消除静电影响,因而离子风模块是一个备选件。在有静电条件时,液面与白金板会提前于正常时接触到,液位水平面的查找技术会有区别。但对于本身没有浮力修正技术的经典白金板法时,离子风模块的使用与不使用影响不会很大。但对于基于Young-Laplace方程修正的白金板法,由于浮力会有变化(液面提前接触),因而会有影响,影响值约为0.2-0.5mN/m左右。由于其测值影响不是非常大,所以,美国科诺的仪器通常没有把离子风模块作为标准配置,而作为选配件供客户选购。
 
12、表面张力仪的传感器是否有保护装置?是否需要天平自动锁和阻尼震荡回复模块?
这个问题包括两个方面:第一,分析天平是否有保护装置;第二、表面张力仪的白金板法的连接方式有哪些。
(1)采用梅特勒的分析天平的表面张力仪均具有上、下限位两个位置的保护。因而,向下拉动或向上托起表面张力仪的传感杠杆或托盘架均不会对天平造成影响。因而无须额外的天平自动锁。
(2)表面张力仪的白金板或白金板主要有两种方式,其一为软连接方式(美国科诺主要采用软连接方式)、其二为硬连接方式(德国的仪器主要采用硬连接方式)。软连接方式时,装载白金板或白金环时会产生额外的向下拉的动作,因而,要求分析天平有一个下限位的保护。如果传感器或分析天平没有这个保护,则需要额外设计天平自动锁。硬连接方式在装载白金环或白金板时会额外产生一个向上托的动作。如果分析天平不够好,没有上限位保护,则需要设计天平自动锁,同时需要一个阻尼震荡回复模块。软连接的优点在于白金环和板的水平保持相对于硬连接时会好得多,而硬连接的优点在于测试高粘度样品时,易于将板或环插入到液体中。但事实上,采用硬连接的表面张力仪由于其测试技术决定其无法测试有粘度样品的表面张力值,所以,这个优点就无从谈起了。同时,硬连接方式可以迅速使得白金环或白金板稳定下来而不会来回晃动。而事实上,美国科诺的表面张力仪采用软连接时,当白金环或白金板晃动时,分析天平上的值根本不会有变动(分析天平的稳定性足够好),且接触到液面后,晃动会马上停止。所以,相对于微略的缺点而言,我们更看重软连接方式时的环或板的水平度对于测值的影响。事实上,只有很少的仪器厂商采用硬连接的方式,美国科诺的仪器只有在测试粘度作用力大于白金板自重时才会考虑到硬连接的方式或改变配重的方式。综合而言,是否配备天平自动锁和阻尼震荡回复模块是判断表面张力仪连接方式的一个依据,其意义仅在于用户对于表面张力测试方法的判断而非决定性指标。
 
13、表面张力仪的测试范围以及测值精度的意义?购买表面张力仪主要参考什么指标?
商业化的表面张力仪均会提及测试范围、测值分辨率(Resolution)和测值精度。需要指出的是测试分辨率与测试精度是两个指标。目前国外的仪器厂商均会标明分辨率,即Resolution,而这个指标并非测值精度。
目前表面张力仪测试范围和测试分辨率的写法主要有如下几种:
(1)1 … 1000 mN/m; ± 0.001 mN/m resolution
(2)1-2000 mN/m 1-1000 mN/m Resolution 0.01 mN/m
(3)0-999.999mN/m 0.0001或0.001mN/m
(4)0-200mN/m或0-400mN/m
事实上,除上海梭伦2005年设计的非标缩量程表面张力仪BZY系列外,其他的基于分析天平的表面张力仪其分析天平最大量程为50g或200g或210g或220g,无论哪个最大量程换算回表面张力值时,其值均远远大于1000或2000mN/m。因而最大量程对于表面张力仪而言没有任何意义。同理,表面张力仪分辨率的意义对于表面张力仪而言意义也并不是很大。正如数学上1/3取多少位小数而言,分辨多少位的意义一样。
因而,对于表面张力仪的本系列指标而言,更重要的考察对象应该是:采用了何种传感器(应用电阻称重传感器<扭力丝传感器<中国分析天平<赛多利斯分析天平<梅特勒分析天平)、分析天平的产地(中国的还是梅特勒的还是赛多利斯的,还是其他生产厂的)、分析天平的最大量程以及精度(十万分之一的还是万分之一的)等。
 
14、表面张力仪是否可以用于测试粘附力?
可以。但我们建议用户选购基于接触角仪的粘附力测试系统,因为此时可以把粘附力测试时的图像捕捉下来,且可以很高精度的控制液滴量(针管进液而非细钢丝圈)。
 
15、表面张力仪的耗材有哪些?
表面张力仪的耗材主要有白金环、白金板、样品皿等。同时,建议用户采购一个超声波清洗机,用于清洗样品皿以及白金板、白金环。
 
16、表面张力仪使用环境要求不能使用酒精灯或明火时怎么办?
建议用户选购玻璃板代替白金板测试表面张力值,并一次性抛弃使用。测值精度仍能够保证。
 
17、在什么时候需要用到聚四氟乙烯的板代替白金板?
在测试接触角值变化范围非常大的界面张力体系时,建议采购聚四氟乙烯板。
 
18、称重原理的表面张力仪的最小液滴使用量是多少?样品非常贵时怎么办?
无论是经典白金板法还是白金环法,由于其有浸入和拉回的动作,且考虑器壁效应,因而,最低需要的液滴量通常会非常多,约10mL左右。但是,如果采用基于Young-Laplace方程修正的白金板法,由于其没有浸入与拉升动作,结合美国科诺专业的微量样品池(1mL),可以测试1mL液体量时的表面张力值。当然,如果液滴量更低时,则建议采用基于ADSA-RealDrop算法的表面张力仪,最小液滴量可以为0.5uL。
 
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