表面張力儀選購指18問(wèn)以及相關(guān)技術(shù)要點(diǎn)

本文以提問(wèn)的方式為您提供表面張力儀選購中應注意的事項以及回復了表面張力儀的測試技術(shù)、測試原理要點(diǎn)。

1、表面張力儀如何分類(lèi)？

從測試技術(shù)來(lái)看，目前商業(yè)化的表面張力儀可以分為稱(chēng)重法的表面張力儀、光學(xué)影像法的表面張力儀和大氣泡法表面張力儀、滴體積法表面張力儀。其中，稱(chēng)重法的表面張力儀的測試原理包括基于Young-Laplace方程的白金板法（Wilhelmy plate method based on Young-Laplace equation correcting）、經(jīng)典的白金板法（吊板法，零浮力法、Wilhelmy pate method）和白金環(huán)法（DuNouy Ring method）。光學(xué)影像法的表面張力儀包括懸滴法表面張力儀（Pendant drop method）、停滴法表面張力儀（Sessile drop method，事實(shí)應用時(shí)通常采用約束停滴法可測試超低界面張力值，低已測得值可達0.0001mN/m）和旋轉滴法界面張力儀（Spinning drop interface tensiometer）、光學(xué)法大氣泡法表面張力儀（KINO產(chǎn)品，可用于測試油水動(dòng)態(tài)界面張力）。大氣泡法的表面張力儀目前主要包括基于壓力傳感器的大氣泡法表面張力儀(MBP, max bubble pressure)以及光學(xué)法大氣泡法表面張力儀（KINO產(chǎn)品，可用于測試油水動(dòng)態(tài)界面張力）。滴體積法表面張力儀主要分為滴體積管（一種玻璃管簡(jiǎn)易器皿）和滴體積法光柵法測試儀器。其中，大氣泡或液泡法和滴體積法表面張力儀主要應用于測試動(dòng)態(tài)表面張力或界面張力值，是未來(lái)界面化學(xué)測試的趨勢。而界面化學(xué)測試的未來(lái)重要的實(shí)用工具為界面流變儀。美國科諾（USA KINO）采用了特殊結構的振蕩模塊，可以實(shí)現非常高頻率200HZ的分析。

2、稱(chēng)重法表面張力儀主要包括哪些測試原理？其顯著(zhù)區別是什么？各自?xún)?yōu)缺點(diǎn)是什么？

稱(chēng)重法表面張力儀主要是指采用稱(chēng)重傳感器作為測試技術(shù)的表面張力儀。在測試過(guò)程中，采用玻璃板、聚四氟板或白金板（鉑金板）、白金環(huán)（鉑金環(huán)）作為測試探頭。玻璃板是Wilhelmy、A.W.Neumann教授以及早的表面張力儀采用的主要探頭。而目前主要采用的是白金板和白金環(huán)。

白金環(huán)法與經(jīng)典白金板法（零浮力法）的主要區別在于白金環(huán)法測試的是大稱(chēng)重值而經(jīng)典白金板法是測試一段時(shí)間內的平均稱(chēng)重值。但歸結起來(lái)，其均是靜態(tài)表面張力測試技術(shù)。

而基于Young-Laplace方程修正的白金板法與經(jīng)典白金板法的顯著(zhù)區別在于，前者無(wú)需將白金板浸入后再拉回的動(dòng)作，而后者通常會(huì )將白金板浸入到液面后再拉回的動(dòng)作。具體區別可參考視頻

白金環(huán)法的表面張力儀優(yōu)點(diǎn)在于無(wú)需非常高精度的稱(chēng)重傳感器，是一個(gè)應用非常長(cháng)的測試表面張力的儀器。例如現在還在許多公司還在使用Fisher公司的20型表面張力儀即可一個(gè)白金環(huán)法的表面張力儀。經(jīng)過(guò)校準后，這些儀器還在正常使用。上海梭倫可提供相關(guān)校準以及維修（如扭力絲等）。而其缺點(diǎn)在于無(wú)法測試表面活性劑的表面張力（因其為靜態(tài)表面張力儀）、無(wú)法測試有粘度的樣品、白金環(huán)易變形成本較高。同時(shí)，白金環(huán)具有世界標準，因而不符合世界標準設計的白金環(huán)無(wú)法測準35mN/m以下的表面張力值（因其修正因子此時(shí)發(fā)生明顯變化，也無(wú)法符合相應的Young-Laplace方程修正。目前中國制的環(huán)（直徑是0.6mm的）是不符合世界標準的）。

經(jīng)典白金板法為各儀儀器廠(chǎng)商主要采用的方法，其優(yōu)缺點(diǎn)于白金環(huán)法一致。同時(shí)，該方法無(wú)法應用于測試油水界面張力值。具體可采用苯與水的界面張力值作為驗證（文獻植為35mN/m，20攝氏度時(shí)）。通常經(jīng)典的白金板法僅能夠測得29mN/m左右。

基于Young-Laplace方程修正的白金板法其顯著(zhù)特征為具有接觸角和浮力修正。（此方法上海梭倫的已經(jīng)申請，號201410722554.2），其自動(dòng)修正浮力和接觸角的影響，可以用于測試動(dòng)態(tài)表面張力值（達到平衡表面張力時(shí)所需要的時(shí)間Te以及Dead time時(shí)間，表面活性劑作用時(shí)間Ta）。缺點(diǎn)在于對傳感器的穩定性要求較高，優(yōu)點(diǎn)在于測試的精度、重復性以及可信度更高，可用于測試各種表面活性劑的表面張力值以及界面張力值。

3、稱(chēng)重法表面張力儀采用的傳感器主要有哪些？其穩定性如何？

稱(chēng)重法表面張力儀的傳感器主要分為扭力絲傳感器、應變電阻稱(chēng)重傳感器、分析天平傳感器。

其中扭力絲的傳感器主要應用白金環(huán)法的表面張力儀，由于環(huán)的周長(cháng)比板而言長(cháng)得多，因而白金環(huán)法測試時(shí)稱(chēng)重值較大，從而對傳感器要求較低。而應變電阻的稱(chēng)重傳感器只在極少數的中國產(chǎn)表面張力儀中使用，其精度比較低。分析天平的傳感器主要分為中國制的分析天平、梅特勒分析天平以及賽多利斯分析天平。中國制的分析天平技術(shù)分為兩種技術(shù)，一種是全量程分析天平技術(shù)、一種是非標小量程分析天平（如程1g左右），后者的技術(shù)為上海梭倫*代技術(shù)，其誤差較大，特別是天平校準時(shí)要求非常高，因而2008年后被棄用了。梅特勒的分析天平主要被應用于美國科諾的表面張力儀中，其精度高可達1ug，速度可達92數據/秒。賽多利斯的分析天平主要應用于美國科諾的B系列表面張力儀以及國外的表面張力儀中。

如果考慮動(dòng)態(tài)表面張力或界面張力測試技術(shù)來(lái)看，在采用Young-Laplace方程修正的白金板法，梅特勒的分析天平優(yōu)于賽多利斯分析天平。主要在于其更新速度更快以及穩定性（漂移更少）。但如果僅應用于測試靜態(tài)表面張力，如經(jīng)典的基于零浮力的白金板法或白金環(huán)法時(shí)，由于本身的測試時(shí)間比較長(cháng)，通常為0.1秒級，此時(shí)賽多利斯分析天平與梅特勒分析天平的差異并不是很明顯。

但是，白金板法的表面張力儀通常由于其測值精度要求較高，中國制的分析天平不如梅特勒的分析天平。扭力絲以及應變電阻的稱(chēng)重傳感器由于其為開(kāi)環(huán)系統，精度以及穩定性均無(wú)法與分析天平的傳感器相比。

4、何謂表面張力儀的更新速度？如何驗證表面張力儀稱(chēng)重傳感器的更新速度？

表面張力儀的更新速度主要包括儀器的讀值速度以及傳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應美國科諾的要求，梅特勒公司對其OEM分析天平針對美國科諾的特別指標。而賽多利斯的OEM分析天平目前沒(méi)有這個(gè)指標提出。具體實(shí)測情況下賽多利斯的分析天平通常更新速度為10數據/秒、梅特勒的分析天平通常為46數據/秒或92數據/秒（取決于所采購的型號）。而中國產(chǎn)的分析天平通常為2數據/秒或更低。而表面張力儀的讀值速度是指軟件從傳感器以多快的速度讀取值，比如，賽多利斯的分析天平以每秒10數據發(fā)送數據，但軟件以100Hz或50Hz讀取值，此時(shí)無(wú)法說(shuō)明傳感器的更新速度是100或50數據/秒。這就要求用戶(hù)對此進(jìn)行明辨。

驗證表面張力儀的稱(chēng)重傳感器的更新速度的方法非常簡(jiǎn)單，采用一個(gè)秒表，記錄下一段時(shí)間內讀到的數據量。通常這個(gè)時(shí)候需要采用串品調試助手。

但是，更為重要的是，如果是用于采用白金環(huán)法或經(jīng)典的白金板法測試表面張力值，那么該表面張力儀的無(wú)論是讀取速度還是傳感器的更新速度情況怎樣（只要不是非常低，低于0.1數據/秒），均無(wú)法影響到測值結果。因為，這兩種方法均是測試靜態(tài)表面張力值。所以，更新速度對于白金環(huán)法和經(jīng)典白金板法時(shí)，意義非不是很大。

5、采購表面張力儀主要考慮的因素有哪些？

表面張力儀的采購考慮因素通常被用戶(hù)所忽視。通常而言，大部分的用戶(hù)僅考慮價(jià)格而把其他因素所忽略。事實(shí)上，表面張力儀的選購也有許多要注意的因素。

（1）主要應用是什么？是測試固體材料還是液體材料？

（2）是否測試油水界面張力值？

（3）是否是微乳體系？

（4）是否含有表面活性劑？是否包括陽(yáng)離子表面活性劑？

（5）樣品是否有粘度？大粘度是多少？

（6）是否需要測試表活劑的動(dòng)態(tài)吸附，需要的精度是多少？或者說(shuō)是動(dòng)態(tài)表面張力值的吸附反應時(shí)間精度，平衡表面張力時(shí)間。

（7）是否需要控溫？溫度不同，表面張力值會(huì )有變化。

（8）是否需要真空或增加壓力條件下測值？

（9）是否已經(jīng)對表面張力的主要測試原理有所了解？

（10）預算是多少？是否考慮了儀器的可升級性？

6、表面張力儀的溫度控制主要技術(shù)有哪些？要注意哪些方面？

表面張力儀的主要溫度控制技術(shù)為恒溫水槽，美國科諾可以提供基于半導體制冷加熱技術(shù)的樣品池，溫度范圍可達-20－200攝氏度。溫度控制主要注意的是，在高溫時(shí)（超過(guò)60℃），儀器的傳感器會(huì )受溫度影響非常大，此時(shí)，表面張力儀的好的結構設計以及隔溫處理就非常重要了。如果超過(guò)100℃時(shí)，儀器的防風(fēng)門(mén)的材料就是需要注意的。很多公司采用了有機玻璃，在高溫時(shí)或使用時(shí)，門(mén)很容易變形。

7、如何采用表面張力儀的測試油、水界面張力值？特別是含有表面活性劑的體系的油水界面張力值。

無(wú)論是稱(chēng)重原理中的白金環(huán)法還是經(jīng)典的白金板法，由于其均假設白金環(huán)或白金板在油水界面時(shí)形成了零接觸角值，所以，其在應用于測試油水界面張力值時(shí)測值結果并不理想。特別是針對含有表面活性劑體系的油水界面張力值時(shí)，很容易出現稱(chēng)重值非常低的情況。事實(shí)上，接觸角的變化在油水界面體系中非常大，通常會(huì )從29－129度很大的范圍內變動(dòng)。因而，在有條件時(shí)，我們建議用戶(hù)另行采購基于影像法的界面張力儀，特別是懸滴法或約束停滴法的表面張力儀（我們稱(chēng)其為接觸角儀）。后者特別適用于表面活性劑的體系的油水界面張力值的測試。但要注意的是，也不是所有的影像法的界面張力儀就能夠采購。在測試時(shí)還是有一些特殊的技術(shù)的。這個(gè)技術(shù)美國科諾稱(chēng)其為飽和處理。而如果沒(méi)有條件時(shí)，建議用戶(hù)采用Young-Laplace方程修正技術(shù)白金板法，同時(shí)注意做好接觸角修正以及飽和處理。

8、稱(chēng)重原理的表面張力儀是否需要選購復雜的配件？如密度、接觸角等。

這個(gè)取決于用戶(hù)的需求。但是，對于接觸角測試我們建議慎重考慮。稱(chēng)重法原理的表面張力儀用于測試接觸角值時(shí)，通常采用了潤濕天平方法（有于測試動(dòng)態(tài)接觸角值）以及基于Washburn的滲透法技術(shù)測試粉體材料的接觸角值。但是，潤濕天平法的接觸角值與光學(xué)法的接觸角值測試無(wú)法進(jìn)行對比分析，無(wú)可比性。粉末材料采用滲透法測試時(shí)，大于60度的接觸角的材料無(wú)法測試，僅能夠進(jìn)行不同材料的潤濕速度的比較，而不是的接觸角值。而事實(shí)上，光學(xué)接觸角測量?jì)x可以完成接觸角測試，動(dòng)態(tài)接觸角測值，甚至是完成潤濕速度的測試（高速相機可達1000幀/秒以上的速度）。因而，我們建議采購的接觸角分析儀器或密度天平（通常中國產(chǎn)的也就5000元左右人民幣。）

9、如何理解表面張力儀的樣品臺升降系統的指標？

樣品臺的升降系統的主要指標包括升降范圍或稱(chēng)為行程范圍以及精度。行程范圍與精度通常是一個(gè)反相關(guān)函數。行程越大，螺距越大，控制精度也越差。而在表面張力儀的應用于，位移的精度的重要性?xún)?yōu)于行程范圍。具體來(lái)說(shuō)，在表面張力儀中，0.1um精度的系統優(yōu)于1um的精度的升降系統。而100mm行程范圍的1um精度的系統比50mm行程范圍的0.1um的升降系統差。更大的行程范圍通常會(huì )導致移動(dòng)時(shí)間非常長(cháng)，因而，對升降系統的速度的要求也會(huì )有相應的提高。但是，表面張力測試時(shí)，速度更慢優(yōu)于速度快，移動(dòng)速度0.1mm/s優(yōu)于1mm/s。所以，控制精度更高、螺距更小的升降系統是關(guān)鍵考慮指標，而非移動(dòng)范圍或行程范圍或快的移動(dòng)速度。在寫(xiě)指標要求時(shí)，應該明確螺距和控制精度的要求，而無(wú)需把移動(dòng)范圍和速度等作為主要指標或重點(diǎn)考慮指標。

例如：如下表格中，后兩者均是優(yōu)于前兩個(gè)指標項的。

10、表面張力儀的傳感器的精度對于表面張力測試的影響大嗎？

目前商業(yè)化的表面張力儀的傳感器對于白金環(huán)法而言精度是可以滿(mǎn)足要求的。但是對于白金板法而言，傳感器的精度建議考慮起始精度應該為0.1mg，即萬(wàn)分之一的分析天平。目前，美國科諾的A101Plus、A601以及德國KRUSS的K100C均是滿(mǎn)足這個(gè)精度的。而上海梭倫于2005年設計的BZY系列BZY－1為千分之一，BZY－2為萬(wàn)分之一，但BZY－2采用的縮小量程的技術(shù)，校準砝碼為非標砝碼，與白金板的匹配不好，因而精度上會(huì )相對于全量程的分析天平而言會(huì )差許多。

如果應用于測試表面活性劑的表面張力值，且可能會(huì )測試表面活性劑體體系的油水界面張力值時(shí)，由于微小濃度變化均會(huì )對表面張力產(chǎn)生作用，且表面活性劑體系的表面張力范圍已經(jīng)在一個(gè)很小的范圍內如16－35mN/m，因而，此時(shí)的表面張力儀的傳感器的要求就會(huì )變得非常高，通常建議采購十萬(wàn)分之一的分析天平傳感器，如美國科諾的A601Plus（0.01mg, 46數據/秒）、A801（0.01mg, 92數據/秒）或Kruss的K100MK2。但兩者的區別在于后者是靜態(tài)表面張力儀、前者是動(dòng)態(tài)表面張力儀。

11、表面張力儀的離子風(fēng)模塊有何作用？

表面張力儀的離子風(fēng)模塊主要用于測試單纖維接觸角以及粉末材料時(shí)所使用。對于測試環(huán)境條件靜電比較厲害的情況下，離子風(fēng)可以消除靜電影響，因而離子風(fēng)模塊是一個(gè)備選件。在有靜電條件時(shí)，液面與白金板會(huì )提前于正常時(shí)接觸到，液位水平面的查找技術(shù)會(huì )有區別。但對于本身沒(méi)有浮力修正技術(shù)的經(jīng)典白金板法時(shí)，離子風(fēng)模塊的使用與不使用影響不會(huì )很大。但對于基于Young-Laplace方程修正的白金板法，由于浮力會(huì )有變化（液面提前接觸），因而會(huì )有影響，影響值約為0.2－0.5mN/m左右。由于其測值影響不是非常大，所以，美國科諾的儀器通常沒(méi)有把離子風(fēng)模塊作為標準配置，而作為選配件供客戶(hù)選購。

12、表面張力儀的傳感器是否有保護裝置？是否需要天平自動(dòng)鎖和阻尼震蕩回復模塊？

這個(gè)問(wèn)題包括兩個(gè)方面：*，分析天平是否有保護裝置；第二、表面張力儀的白金板法的連接方式有哪些。

（1）采用梅特勒的分析天平的表面張力儀均具有上、下限位兩個(gè)位置的保護。因而，向下拉動(dòng)或向上托起表面張力儀的傳感杠桿或托盤(pán)架均不會(huì )對天平造成影響。因而無(wú)須額外的天平自動(dòng)鎖。

（2）表面張力儀的白金板或白金板主要有兩種方式，其一為軟連接方式（美國科諾主要采用軟連接方式）、其二為硬連接方式（德國的儀器主要采用硬連接方式）。軟連接方式時(shí)，裝載白金板或白金環(huán)時(shí)會(huì )產(chǎn)生額外的向下拉的動(dòng)作，因而，要求分析天平有一個(gè)下限位的保護。如果傳感器或分析天平?jīng)]有這個(gè)保護，則需要額外設計天平自動(dòng)鎖。硬連接方式在裝載白金環(huán)或白金板時(shí)會(huì )額外產(chǎn)生一個(gè)向上托的動(dòng)作。如果分析天平不夠好，沒(méi)有上限位保護，則需要設計天平自動(dòng)鎖，同時(shí)需要一個(gè)阻尼震蕩回復模塊。軟連接的優(yōu)點(diǎn)在于白金環(huán)和板的水平保持相對于硬連接時(shí)會(huì )好得多，而硬連接的優(yōu)點(diǎn)在于測試高粘度樣品時(shí)，易于將板或環(huán)插入到液體中。但事實(shí)上，采用硬連接的表面張力儀由于其測試技術(shù)決定其無(wú)法測試有粘度樣品的表面張力值，所以，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)就無(wú)從談起了。同時(shí)，硬連接方式可以迅速使得白金環(huán)或白金板穩定下來(lái)而不會(huì )來(lái)回晃動(dòng)。而事實(shí)上，美國科諾的表面張力儀采用軟連接時(shí)，當白金環(huán)或白金板晃動(dòng)時(shí)，分析天平上的值根本不會(huì )有變動(dòng)（分析天平的穩定性足夠好），且接觸到液面后，晃動(dòng)會(huì )馬上停止。所以，相對于微略的缺點(diǎn)而言，我們更看重軟連接方式時(shí)的環(huán)或板的水平度對于測值的影響。事實(shí)上，只有很少的儀器廠(chǎng)商采用硬連接的方式，美國科諾的儀器只有在測試粘度作用力大于白金板自重時(shí)才會(huì )考慮到硬連接的方式或改變配重的方式。綜合而言，是否配備天平自動(dòng)鎖和阻尼震蕩回復模塊是判斷表面張力儀連接方式的一個(gè)依據，其意義僅在于用戶(hù)對于表面張力測試方法的判斷而非決定性指標。

13、表面張力儀的測試范圍以及測值精度的意義？購買(mǎi)表面張力儀主要參考什么指標？

商業(yè)化的表面張力儀均會(huì )提及測試范圍、測值分辨率（Resolution）和測值精度。需要指出的是測試分辨率與測試精度是兩個(gè)指標。目前國外的儀器廠(chǎng)商均會(huì )標明分辨率，即Resolution，而這個(gè)指標并非測值精度。

目前表面張力儀測試范圍和測試分辨率的寫(xiě)法主要有如下幾種：

（1）1 … 1000 mN/m; ± 0.001 mN/m resolution

（2）1-2000 mN/m 或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

事實(shí)上，除上海梭倫2005年設計的非標縮量程表面張力儀BZY系列外，其他的基于分析天平的表面張力儀其分析天平程為50g或200g或210g或220g，無(wú)論哪個(gè)程換算回表面張力值時(shí)，其值均遠遠大于1000或2000mN/m。因而程對于表面張力儀而言沒(méi)有任何意義。同理，表面張力儀分辨率的意義對于表面張力儀而言意義也并不是很大。正如數學(xué)上1/3取多少位小數而言，分辨多少位的意義一樣。

因而，對于表面張力儀的本系列指標而言，更重要的考察對象應該是：采用了何種傳感器（應用電阻稱(chēng)重傳感器＜扭力絲傳感器＜中國分析天平＜賽多利斯分析天平＜梅特勒分析天平）、分析天平的產(chǎn)地（中國的還是梅特勒的還是賽多利斯的，還是其他生產(chǎn)廠(chǎng)的）、分析天平的程以及精度（十萬(wàn)分之一的還是萬(wàn)分之一的）等。

14、表面張力儀是否可以用于測試粘附力？

可以。但我們建議用戶(hù)選購基于接觸角儀的粘附力測試系統，因為此時(shí)可以把粘附力測試時(shí)的圖像捕捉下來(lái)，且可以很高精度的控制液滴量（針管進(jìn)液而非細鋼絲圈）。

15、表面張力儀的耗材有哪些？

表面張力儀的耗材主要有白金環(huán)、白金板、樣品皿等。同時(shí)，建議用戶(hù)采購一個(gè)超聲波清洗機，用于清洗樣品皿以及白金板、白金環(huán)。

16、表面張力儀使用環(huán)境要求不能使用酒精燈或明火時(shí)怎么辦？

建議用戶(hù)選購玻璃板代替白金板測試表面張力值，并一次性?huà)仐壥褂?。測值精度仍能夠。

17、在什么時(shí)候需要用到聚四氟乙烯的板代替白金板？

在測試接觸角值變化范圍非常大的界面張力體系時(shí)，建議采購聚四氟乙烯板。

18、稱(chēng)重原理的表面張力儀的小液滴使用量是多少？樣品非常貴時(shí)怎么辦？

無(wú)論是經(jīng)典白金板法還是白金環(huán)法，由于其有浸入和拉回的動(dòng)作，且考慮器壁效應，因而，低需要的液滴量通常會(huì )非常多，約10mL左右。但是，如果采用基于Young-Laplace方程修正的白金板法，由于其沒(méi)有浸入與拉升動(dòng)作，結合美國科諾的微量樣品池（1mL），可以測試1mL液體量時(shí)的表面張力值。當然，如果液滴量更低時(shí)，則建議采用基于A(yíng)DSA－RealDrop算法的表面張力儀，小液滴量可以為0.5uL。

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