一种基于分析天平的界面张力和接触角测试装置和方法
【专利摘要】本专利公布了一种基于分析天平的界面张力和接触角测试装置和方法，包括：升降系统、升降系统支架、恒温样品池、样品台、称重系统，所述称重系统包括白金板、白金板支架、挂钩支架、样品支架、分析天平，样品台一侧固定安装在升降系统的输出端，样品台上安装有恒温样品池，恒温样品池中设置有白金板，白金板通过白金板支架和挂钩支架安装在样品支架顶端，样品支架底端安装在分析天平上。可广泛应用于日化、农药、石油化工、表面活性剂研究、消防、电力等各个行业领域，具有极高的推广价值。
【专利说明】一种基于分析天平的界面张力和接触角测试装置和方法
【技术领域】
[0001] 本专利公布了一种采用分析天平作为称重传感器，利用分析天平现有的上置托盘 或者侧挂托盘的结构，增加一套升降机构，实现界面张力、表面张力以及接触角测值的装 置。通过本装置，可以实现一个仪器完成分析天平称重、密度天平以及称重原理下的表/界 面张力和接触角的测量，达到一机多用的目的。在测试方法上采用了基于Young-Laplace方程修正并结合Wilhelmy板法公式的静置式白金板法技术，动态测试表面张力、接触角和 界面张力值。本专利涉及的技术可广泛应用于日化、农药、石油化工、表面活性剂研究、消 防、电力等各个行业领域，具有极高的推广价值。
【背景技术】
[0002] 白金板法（Wilhelmy plate method)作为一种经典的方法由L. Wilhelmyl863年提 出（关于酒精毛细常数对被湿润固体的物质和形状的依赖性Ueber die Abhangigkeit der Capillaritats - Constanten des Alkohols von Substanz und Gestalt des benetzlen festen Korpers，Von.Ludwig Wilhelmy，Ann. Phys.，119, 177(1863))?这种方法与白 金环法（DuNouy ring) -起组成了称重原理测试液一气表面张力或液一液界面张力的经典 方法。通过将白金板更换成已知润湿周长的固体样品，在液体表面张力值已知的情况下， 可以测试固一液一气三相间的接触角值，即众所周知的润湿天平或动态接触角技术。应用 白金环法或者白金板法测试表面张力、界面张力或接触角的装置已经实现了商业化，包括 Kruss、Dataphysics、KSV、Cahn、Kyowa、USA KINO、上海梭伦信息科技有限公司、上海中晨 数字技术有限公司、承德试验机厂等公司。从商业化的仪器来看，其技术特点主要体现为： (1)采用经典的传感器联接结构，即传感器位于整体结构的上方，通过下挂称钩联接白金板 或白金环后完成测试目的；（2)表面张力的算法上采用了经典的算法，如采用了 C. Huh and S. G. Mason或Zuidema & Waters修正的白金环法（DuNouy法）和简单力学公式法的白金 板法（cj=F..:(2*(w-d)*eos?，当采用钼金板法时 9 =〇，cose =1)。
[0003] 国内外的已经公开的专利中与表面张力相关的专利非常多，涉及的原理包括了 称重法、最大气泡法、滴体积法、毛细管法、激光法等等。其中，与本专利相关的称重法 的专利最多，特别在中国相关专利达到了近30项。总体来看的情况如下：（1)对测试 探针(如板或环）的改进的，包括ZL 200620131314.6《一种液体表面张力系数测定仪》、 ZL02246571.5《表面张力测量吊片》、ZL200910116749. 1《一种液体表面张力系数测量仪 器》等；这些专利与本专利所述求的技术没有关系而不影响本专利的创新性；（2)对称重 传感器的改进的，包括ZL01216371《液体界面张力仪》、ZL01254339.X《一种液体表面张 力系数测定仪》、ZL200520039453. 1《一种自动液体表面张力检测仪》、ZL 200610054181. 1 《变温液体表面张力系数测定实验装置》、ZL 200620051680.0《一种液体表面张力系数测 定仪》、ZL 201120020899.5《自动界面张力测定仪》等，其创新点在于采用了扭力丝或改 进了扭力丝传感器、或引入新的传感器(如应变片传感器、分析天平）等，与本专利所述的 创新性结构（不改变分析天平结构的情况下增加一个升降机构）不存在冲突，因而不影响 本专利的创新性；（3)对样品池温度控制或样品台等部分结构的创新，包括ZL02213618. 5 《液体表面张力测定用样品台》、ZL200820208896. 2《一种测定液体表面张力系数的实验 装置》、ZL201120008560. 3《化学教学用液体表面张力系数测量装置》等，由于涉及的创 新点与本专利无关，也不影响本专利的创新性；（4)表面张力测试整体结构的创新，包 括ZL 201020159905.0《白金板法测试液-气表面张力和液-液界面张力的仪器》、ZL 201120065224. 2《一种液体钼金环法表面/界面张力仪》、日本专利JP2001099772A《表面 张力测定方法》（日本KYOWA手动表面张力仪）等，这些专利的结构采用了与专利不一致的 联结关系，因而也不影响本专利的创新性。
[0004]作为一种方法，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等专业书中均进行了一个比较好的总结分析，主要涉及了白金板的表面处理 技术(打包)、白金板法的垂直问题、白金板法角点润湿问题等改进白金板法，提升测试精 度等。但对于测试表面张力值，液面在固（板）一液一气三相形成的曲面是否真正形成了 一个零接触角均未作出描述；对液面以上部分的浮力是否进行了修正，影响是多少也未 进行描述；如果动态修正接触角值和浮力值从而也是一个从未涉及的领域。从实际情况 来看，液面在固（板）一液一气三相形成的曲面与板之间形成的接触角值很少是零度，或 根本不可能是零度。如附图1所示。虽然事实情况下，通过光学接触角仪我们测得的相 应液体在固体表面的接触角值是零度，但由于此曲面的真实存在，我们无法在经典的力 学公式白金板法的公式中将COS0项视为等于1。因而，本专利的测试方法中，我们提 出了一个全新的解法，可以成为动态修正接触角值和浮力值，提升白金板法测试表面张 力、接触角和界面张力的关键技术。在实施表面张力或界面张力的测试方法上，目前主 要包括四种技术：（1)接触法（Detachment method法)，此种方法的特点在于板刚接触到 样品后即停止，此时认为浮力为零，再通过简单的力学法公式计算得出表面张力值等于 0zF/(2*(w-d)孝COS? ;(2)经典的白金板法（max pull)，其特点在于将白金板浸入 样品后，再拉升，在得到最大值后，表面张力等于〇 =F/( 2* (W-rf) *c〇s §，从实际应用来 看，这种方法为静态表面张力测试方法且无法用于测试表面活性剂和有粘度样品；（3)零 浮力法zero-buoyancy method,这种方法的特点为白金板接触到液面后继续浸入一定深度 如2mm，再将白金板拉回2mm至液面差不多的高度，此时假设浮力为零、接触角为零，表面 张力等于〇 =F/ ( 2*(W^d) *eos 0 ; (4)浸入深度法immersion method,这种方法的特 点为将白金板强制浸入一定的深度如1mm，修正此高度的浮力值后，通过力学白金板法计 算出表面张力值（Ff?s，F:g力〉.'（2*(W-d)*COS 6)。（参考：In situ force-balance tensiometry,G. S. Lapham, D. R. Dowling, ff. ff. Schult,Experiments in Fluids 27 (1999) 157 - 166，Springer-Verla，1999)。见附图2白金板法测试技术。从如上各个方 法来看，其特点均在于所使用的方法为简单的力学公式条件下的白金板法、均假设接触角 值为零以及均假设爬升液体曲面包围的液体对白金板的浮力为零。见附图3白金板法基本 原理图。虽然2005年，上海梭伦信息科技有限公司在研制的表面张力仪A201以及A601型 中创新性的提出了一种基于弹性系数和Young-Laplace方程修正的白金板算法，但其核心 技术为采用了简单的Young-Laplace方程结合分析天平或扭力丝传感器的杠杆系数，简单 的计算得出液体的高度，但对于接触角值并没有进行全面的修正。这项技术与本专利所述 根据液体润湿速度、力学公式和Young-Laplace公式修正结合的算法并不一致，所以，表面 张力仪A201型或A601型的技术不影响本专利的创新性。
[0005] 本专利创新性的提出了一个全新的联结关系，充分利用了分析天平原有结构，实 现了一机多用既可以测试表面张力、界面张力和接触角等界面化学参数，又可以用作分析 天平和密度天平。在测试算法上，本专利引入一套全新的计算基于白金板法原理的表面张 力、接触角和界面张力测试方法，以解决动态修正浮力、接触角，提升表面张力测试精度的 目的。本专利涉及的技术可广泛应用于日化、农药、石油化工、表面活性剂研究、消防、电力 等各个行业领域，具有极高的推广价值。
【发明内容】
[0006] 本专利为实现如上目的，本专利表面张力测试装置的结构组成、部件选用及其联 结关系和白金板法测试表面张力的算法等各个方面均作了精心设计。具体
【发明内容】
如下： 一种基于分析天平的界面张力和接触角测试装置，包括：升降系统、升降系统支架、恒 温样品池、样品台、称重系统，所述称重系统包括白金板、白金板支架、挂钩支架、样品支架、 分析天平，样品台一侧固定安装在升降系统的输出端，样品台上安装有恒温样品池，恒温样 品池中设置有白金板，白金板通过白金板支架和挂钩支架安装在样品支架顶端，样品支架 底端安装在分析天平上。
[0007] 所述升降系统由壳体、手轮、电机、升降运动面板、限位开关、丝杆、滑块、导轨系 统、联轴器、控制接口，手轮位于电机的上方并与电机相连接，电机固定到壳体上，电机的输 出端通过联轴器与丝杆相连接，丝杆上设有滑块，滑块的两侧设有导轨系统，丝杆的顶端和 低端分别设置有一个限位开关。
[0008] 所述称重系统的样品支架设计成C形，C形的样品支架底部固定到分析天平的托 盘孔内，挂钩支架下方吊挂有白金板。
[0009] 还包括称重传感器和单片机，称重传感器安装在样品台的下方或后方，称重传感 器与单片机电连接。
[0010] 基于分析天平的界面张力和接触角测试装置的界面张力和接触角测试算法，该算 法采用一套结合液体润湿速度、白金板力学法、Young-Laplace方程相结合的静置式白金板 法来测试，其步骤为： 一、 白金板查找并接触到液体样品后处于静置状态，其显著特征为白金板一接触到液 面后立即停止升降； 二、 基于白金板法原理时，在计算公式中利用了液体润湿速度公式、白金板力学法公 式、Young-Laplace方程三个方程，并联立求解，得到表面张力、润湿高度以及接触角值，在 计算方法时采用了理论曲线与实际曲线最小二乘逼近的方式。
[0011] 该算法简化了的白金板法计算公式，采用了 lmN/m=0. 048544mg/m或ImN/ m=0. 049456mg作为计算表面张力的单位换算公式。
【权利要求】
1. 一种基于分析天平的界面张力和接触角测试装置，其特征在于，包括：升降系统、升 降系统支架、恒温样品池、样品台、称重系统，所述称重系统包括白金板、白金板支架、挂钩 支架、样品支架、分析天平，样品台一侧固定安装在升降系统的输出端，样品台上安装有恒 温样品池，恒温样品池中设置有白金板，白金板通过白金板支架和挂钩支架安装在样品支 架顶端，样品支架底端安装在分析天平上。
2. 根据权利要求1所述的基于分析天平的界面张力和接触角测试装置，其特征在于， 所述升降系统由壳体、手轮、电机、升降运动面板、限位开关、丝杆、滑块、导轨系统、联轴器、 控制接口，手轮位于电机的上方并与电机相连接，电机固定到壳体上，电机的输出端通过联 轴器与丝杆相连接，丝杆上设有滑块，滑块的两侧设有导轨系统，丝杆的顶端和低端分别设 置有一个限位开关。
3. 根据权利要求1所述的基于分析天平的界面张力和接触角测试装置，其特征在于， 所述称重系统的样品支架设计成C形，C形的样品支架底部固定到分析天平的托盘孔内，挂 钩支架下方吊挂有白金板。
4. 根据权利要求1所述的基于分析天平的界面张力和接触角测试装置，其特征在于， 还包括称重传感器和单片机，称重传感器安装在样品台的下方或后方，称重传感器与单片 机电连接。
5. 根据权利要求1所述基于分析天平的界面张力和接触角测试装置的界面张力和接 触角测试算法，其特征在于，包括以下步骤： 一、 形成白金板静置于液体液面的状态，升起样品台，被测液体同时被升起，保持白金 板法静置不动；查找液体液面，【具体实施方式】如下，通过设置相应的阀值或〇.lmg，当分析 天平读到相应的重量变化后，即认为已经找到液面；一旦查找到液面后，样品台即停止上 升，让白金板保持到样品近似样品液面的位置； 二、设计公式：
其中：如上公式（1)为白金板法Young-Laplace公式；w为白金板长度，d为白金板厚 度，Ap为液体密度差，〇为表面张力值，0为接触角值，x为液面曲面的长度，y和h为 液面曲面的高度，t为时间，mass为分析天平称得的重量，h为液面的爬升高度，g为重力系 统，V为润湿速度，n为样品粘度；在液体一接触到白金板后即会在白金板表面爬升，软件 动态记录相应的爬升速度，并采用联立公式2, 3, 6,使用龙格库拉或欧拉法法求解方法，拟 合得到实际（x，y)曲线，绘制成曲线；当液体爬升达到最大爬升速度后，相应的测力值即会 保持不变，如果被测试液体为表面活性剂或有粘度样品，达到最大值后，曲线仍有变动；在 应用时，取其中一段时间的变化曲线作为速度值； 三、 联立方程组1，4, 5采用龙格库拉或欧拉法法求解方程组，并将求解得出，对于任意 表面张力值、接触角值和高度的情况下，利用分析绘图的方式，显示相应的理论曲线以及曲 线上的各个坐标点（xi，yi)，计算得出相应的高度值h和接触角值0 ; 四、 将如上步骤二的实际速度曲线与如上步骤三所述的理论速度曲线采用最小二乘法 拟合，即可得出相应的高度和接触角值；同时，完成液面曲面包围液体的浮力计算； 五、 对于动态表面张力测试过程中，由于体系的密度可视为几乎不变，相应的接触角变 化范围很小，为了方便起见，采用初始计算得出的接触角值参与最终计算。
6.根据权利要求5所述基于分析天平的界面张力和接触角测试装置的界面张 力和接触角测试算法，其特征在于，该算法简化了的白金板法计算公式，采用了lmN/ m=0. 048544mg/m或lmN/m=0. 049456mg作为计算表面张力的单位换算公式。
【文档编号】G01N13/02GK104406892SQ201410722554
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年12月4日 优先权日:2014年12月4日
【发明者】施建辉 申请人:上海梭伦信息科技有限公司