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悬浮液表面张力测值以及表面张力三明治效应的典型应用

 表面张力值是表征液体材料基本物性的关键指标,长期以来,表面张力的测量通常采用表面张力仪。表面张力仪应用最为广泛的是如美国科诺的A601或A101型称重原理的表面张力仪,其核心技术为铂金板法以及铂金环法。

通常情况下,我们所指称的表面张力值的测量是通过将环浸入液体后再拉回,并取最大值,采用修正因子修正后得到表面张力值;或,通过将铂金板浸入到液体里后,再拉回,测试一段时间的表面张力值后,求平均值。

如上的测量方法对于通常情况下的低粘度样品、稳定性较好的样品、非表面活性剂体系、非有粘度样品而言,比如水、酒精等测值的数据重复性和稳定性均表现良好。但是,对于应用到实际测试表面张力值,并进而将表面张力值进行应用于实际研发或品质控制时,其效果并不理想。

一个典型的表面张力仪应用的失败案例是墨水或涂料的表面张力测值。通常一些仿制墨水或涂料厂商的研发部分拟通过表面张力值的测量,实现复制墨水或涂料的目的。但是,通过实际应用效果来看,表面张力值测值结果非常接近的情况下,其应用效果经常出现明显不同。

通常情况下,非专业的界面化学仪器厂商会建议考虑接触角仪,并通过墨水或涂料的色散力或极性力的组份来判断效果是否一致。但是,这种表征技术通常出现如下三个方面缺点:

1、如果通过接触角测值结果来表征的话,由于底材本身存在的化学多样性、异构性或表面粗糙度会影响到接触角的测值结果,因而,测得的接触角值的结果其重复性和可比性就比较差,表征的可靠性就会降低;

2、如果想通过测试色散力或极性力值或其分布来评估不同的液体,事实上科学性不够的。因为墨水或涂料本身是复配体系,不能简单的采用一个色散力或极性力的配比来表征。事实上,对于用户的理解或实际意义的表达均存在很大困难。

3、测值的重复性比较差,可操作性差。

但是,表面张力测量技术的进步在于:对于绝大多数的非纯样品或胶体化学里的绝大多数样品,包括表面活性剂体系、悬浮液体系等,均存在明显的表面张力或界面张力三明治效应,即液体与空气的表面,液体与底材的界面之间,其值会出现明显的不同。

表面张力三明治效应

而目前的铂金板法,铂金环法,气泡压法(最大气泡法),滴体积法等均只能则试得到上层液体的表面张力值。

作为一个典型案例,我们测试了医药行业的悬浮液作为示例。

表面张力三明治效应

表面张力三明治效应

  上层mN/m 下层mN/m
样品1 37.823 46.303
样品2 39.103 54.689
样品3 40.83 55.272

 

数据分析:
1、悬浮液的表面张力值出现明显的表面张力三明治效应。如上所示三个样品出现明显的下层表面张力高于上层表面张力的情况,在实际应用中,下层的表面张力通常作用于液-固界面,上层表面张力通常作用于液-气表面,因而,从实际效果来看,样品1-3的表面张力均比较大。
2、虽然从上下层的表面张力变化来看,其变化趋势为一样的。但是,通过上层表面张力来看,区别为3mN/m,而下层表面张力区别最大为近9mN/m。因而,下层表面张力的控制将明显有利于控制样品的研发以及品质。
3、其中1号样为对比样,2、3号样为研发新样。可见,通过上层的表面张力测试得到的值作为判断样品,可靠性极低。而通过下层表面张力的评估,则判断的可靠性极高。

表面张力三明治效应

1号样品下层表面张力测试结果

表面张力三明治效应

 

2号样品下层表面张力测试结果分析图谱

表面张力三明治效应

3号样品下层表面张力分析测试图谱

如上测试算法均采用阿莎算法。阿莎算法的优点在于其测试结果会明显出现左、右值的高精度判断。事实上,98%以上的样品由于吸附不均匀、振动等影响,出现左、右侧的图像的非轴对称。而如果采用Young-Laplace方程的轴对称图像分析技术,其测值结果的精度就比较差。

阿莎算法的应用特点在于:表面张力测值结果取左、右基本接近时的状态的结果为准,出现较大振动或偏差时,尽量采用平均值为准。

   
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