工业快报>工业百科>百科详情

概述

表面张力仪快速、可靠的质量控制模式。设定测量参数后可以准确测量并显示表面张力值。能够独立设定测量范围、测试数据数目、测量的平均值,是研发的理想工具。在实际使用过程中,由于动态表面张力仪能够模拟表面活性剂的迁移情况,因此应用更为广泛。

专业用于测量液体表面张力值的专业测量/测定仪器,通过白金板法(分吊片法以及白金板法而不同)、白金环法、最大气泡法、悬滴法、滴体积法以及滴重法等原理,实现精确液体的表面张力值的测量。同时,利用软件技术,可能测得随时间变化而变化的表面张力值。


工作原理

表面张力仪根据测试原理的不同可分为二种:铂金环法和铂金板法。

铂金环法是一种传统的测试方法,从发明到现在有约70年左右的时间。它是用直径0.37mm的铂金丝做成周长为60mm的环,测试时先将铂金环浸入液面(或二种不相混合的界面)下2-3mm,然后再慢慢将铂金环向上提,环与液面会形成一个膜。膜对铂金环会有一个向下拉的力,测量整个铂金环上提过程中膜对环的所作用的最大力值,再换算成真正的表面(界面)张力值。由于铂金环法测试起来比较麻烦,测试误差也比较大,已迅速被铂金板法所取代。

铂金板法应用的历史在国外也不到20年,进入国内就更晚了。铂金板法是用24mm×10mm×0.1mm的铂金板,表面进行喷砂粗化处理,为的是更好地与被测液体润湿。测试时将铂金板轻轻地接触到液面(或界面),由于液体表面张力的作用会将铂金板往下拉,当液体的表面张力及其他相关的力与仪器测试的反向的力达到平衡时,测试值就稳定不变,如果是蒸馏水、乙醇等纯物质,整个测试过程最快只有几秒钟。

铂金板法测量的是液体的表面(或界面)张力的平衡值,铂金环法测试的是液体的表面(或界面)的最大力值。

此外,随着科技水平的不断发展,应用到表面/界面张力仪上的新技术也层出不穷,比如“准确性自动校正功能”、“温度自动补偿功能”就是典型的例子。这些具有较高水准且非常实用的全新技术,既能提高仪器的测试精度、又能延长仪器的使用寿命、降低仪器的使用成本。

应用

用在喷墨墨水、涂料油墨、助剂、清洗剂、活性剂、电镀液、日化产品、酒类、石油行业的产品研发,精密电子工件的清洗效果控制。通过对液体的表面张力的测试,来判定表面活性剂的浓度,表面活性剂的迁移速度和液体的润湿流平性能等。如:

在生产和质检中控制表面张力和表面活性;

在工厂和实验室中,监测表面活性流体的表面张力;

测试喷墨油墨的质量;

原材料包括表面活性剂的质量控制。

分类

1、气泡压力法

这也是测定液体表面张力的一种最常用的方法,测定时将一根毛细管插入待测液体内部,从管中缓慢地通入惰性气体对其内的液体施以压力,使它能在管端形成气泡逸出。当所用的毛细管管径较小时,可以假定所产生的气泡都是球面的一部分,但是气泡在生成及发展过程中,气泡的曲率半径将随惰性气体的压力变化而改变,当气泡的形状恰为半球形时,气泡的曲率半径为最小,正好等于毛细管半径。如果此时继续通入惰性气体,气泡便会猛然胀大,并且迅速地脱离管端逸出或突然破裂。如果在毛细管上连一个U型压力计,U型压力计所用的液体密度为P.两液柱的高度差为△l,那么气泡最大压力△Pmax就能通过实验测定。

此方法与接触角无关,装置简单,测定快速;经过适当的设计可以用于熔融金属和熔盐的表面张力测量。由于气泡法表面张力仪能够模拟表面活性剂的随时间的变化情况,并且可以绘制完整的表面张力变化曲线,在工业生产中应用十分广泛。

2、吊环法

吊环法是1863年由Wilhelmy首先提出的,后来,Dognon和Abribat将其改进,测定当打毛的铂片、玻片或滤纸片的底边平行界面并刚好接触(未脱离)界面时的拉力。要满足吊片恰好与液面接触,既可采用脱离法,测定吊板脱离液面所需与表面张力相抗衡的最大拉力,也可将液面缓慢地上升至刚好与天平悬挂已知重量的吊板接触,然后测定其增量,再求得表面张力的值。

吊环法的基本原理是将浸在液面上的金属环(铂丝制成)脱离液面,其所需的最大拉力,等于吊环自身重量加上表面张力与被脱离液面周长的乘积。Timberg和Sondhauss首先使用此法,但DuNouy第一次应用扭力天平来测定此最大拉力。Harkins和Jordan引进了校正因子,可以用来测定纯液体表面张力,测定时必须注意其表面张力有时间效应。此外,将吊环拉离液面时要特别小心,以免液面发生扰动。

由于液膜有一定的厚度,同时由于上拉环也将带起由于液膜有一定的厚度,同时由于上拉环也将带起若干液体,并且环的半径和被拉起的液膜的半径稍有不同,所以吊环法的精度稍低。

3、悬滴法

悬滴法实质上是滴外形法的一种。滴外形法是根据液滴的外形来测定表面张力和接触角的方法,既有悬滴法又有躺滴法。其原理是根据La2place关于毛细现象的方程。

4、旋滴法

在样品管中装入高密度的液体,再加入少量低密度液体,密闭后,将其置于旋滴仪中使其以X角速度旋转。在离心力、重力及表面张力作用下,低密度液体在高密度液体中形成圆柱形液滴。

选型指南

旋转滴界面张力仪的选购主要应注意:(1)温度控制技术采用何种技术?(2)温度控制范围?(3)电机的控制方式?(4)样品管的材质与密封结构?(5)软件算法?

(1)旋转滴界面张力仪的温度控制控制技术:温度控制技术目前主要有三种,控制样品管所在位置的空气的温度(气热式)、控制加热源的温度(目前主流)以及控制样品管所在油环境的温度(德国Kruss)。从效果来看,控制样品管所在位置油的温度的效果最好。但其缺点在于维修与清洗样品管非常不方便,易漏液,不易注入原油样。因而,气热式温控技术是目前世界最好的温控技术。

(2)旋转滴界面张力仪的温度控制范围:温度控制范围由仪器使用者的测试需求所决定。如中国大部分地区的油田需求为80度以内即可,但有的地区深井作业时,需要温度会高于90度,此时对于仪器的要求就相对较高。90度以上时,旋转滴界面张力仪的温度控制技术目前只有气热式是最好的,如果只控制加热源的温度(非科诺产品),那么样品管的温度与目标需求温度差距将非常大。具体可以采用将样品管加热后等10分钟后再拿出测试手感温度,通常非气热式的温控技术时,样品管的温度远没有达到90度。而如果要求温度高于100度,则需要专业的高温高压旋转滴界面张力仪。

(3)旋转滴界面张力仪的电机控制方式主要是指电机是直流有刷电机还是直流无刷电机。直流有刷电机的优势在于成本低,但是缺点非常明显,控制精度不高,寿命比较短;但直流无刷电机由于取消了碳刷,寿命会非常长,读值精度真正可达0.1RPM,但价格相对比较高。

(4)旋转滴界面张力仪的样品管材质与密封结构:旋转滴样品管目前美国科诺采用了蓝宝石和石英玻璃两种材质。这两种材质无论在透光率、均匀度以及折射率等方面均保持了优秀的性能。部分仪器厂商提供了普通硅酸盐玻璃,透光率差、均匀度差且防爆性能差、耐温与耐压性能差。玻璃玻璃管是已经被淘汰的技术。密封结构主要分为三类:一端开口的样品管,两端开口自密封样品管和动态密封样品管。从技术上来看,动态密封样品管技术最好,一端开口样品管最差。但从实际应用来看,两端开口样品管更易清洗(超声波清洗+机械清洗均可)、更易装入原油样、更易排气因而是旋转滴界面张力仪的首选技术。

(5)软件算法:旋转滴界面张力仪形成的液滴的外形轮廓事实上是符合Young-Laplace方程的,因而是可以通过Young-Laplace方程拟合技术计算得到界面张力值的。目前,该算法由美国科诺授权上海梭伦在中国地区申请了发明专利,已经获得授权。而事实上,在算法上,可以有一种更方便的测试方法,这种方法需要结合样品管粗细配合的方法测得,即,不同表面或界面张力值的样品采用不同的内径的样品管测试,并尽量形成长比宽大于1.5倍的液滴。此时,无须Young-Laplace方程拟合技术也可以完成测试。但这种方法对于0.01mN/m以下的样品的界面张力值需要进行离心力修正。因而,基于离心力修正的简化的冯格内特法对于旋转滴界面张力仪而言是最方便和实用的软件算法。但精度更高的算法为Young-Laplace方程拟合法。

维护保养

1、每次测试好样品后,铂金片必须清洗干净才能用于下次测试或放入专用的保存盒内。

2、铂金片在日常的测试过程中避免与尖锐物体相接触,防止铂金片表面被刮花。铂金片表面形状有些弯曲或变形(稍微点情况下)可用一张白纸对折找块坚固的水平面(建议大理石平面)将铂金片放入在纸张中间,然后用手指甲盖稍用点力将其抚平。(注意此时不是在纸张上面用手指甲刮铂金片)

3、铂金片的清洗过程达到的效果对整个实验的最终数据十分重要。如用户测试的是水性样品,一般铂金片测试完成后用流水冲洗再放置于酒精灯上灼烧即可。测试是油性样品,先用流水冲洗过后再放入稀释后的40%至60%盐酸浸泡30分钟,或放入专门清洗的有机溶剂浸泡。完成浸泡后冲洗好再放在酒精上灼烧。

4、铂金片属于正常的消耗品,不在仪器的保修范围内;为了确保数据的准确性建议12至15个月更换一片。

注意事项

当白金板/环或玻璃皿不干净时,测量值会有所误差,而且再现性较差,数值忽大忽小或持续增加或持续减小,所以应力求保持干净。举例而言,比如在测水的过程中使用者将手指轻轻点水,本仪器立即会显示出变化了的较小的张力值,这是是因为人的手有油,改变了水的表面特性。

本仪器已经对密度作了一定的修正。如果需要保证测试的结果的更精确,请参考附件中的修正表进行修正。

为了达到测试精度要求,本公司的白金板均为特殊订制,表面进行了特殊的粗糙度处理。因此应避免白金板表明的划伤和磨损。如果使用者自行更换而无法测量准确时,本公司不负任何责任。

根据物理化学原理,事实上在测试过程中对测值有影响的自然条件有(1)温度;

测量高挥发性液体时应加快测试过程,高挥发性液体在测量时很容易粘着在白金板上,请在做重复性测试前将白金板清洗干净。

测量时发生蒸发现象时,表面张力值会随时间的变化而升高。

虽然玻璃皿中被测液体的多少不会影响到测值的准确性,但为了妥善起见,请确保液体有5mm高度,约15ml左右。

添加表面活性剂以作表面张力变化观察时,请确保不要将表面活性剂碰到白金板。

测量过程中样品台的上升或下降均会影响到表面张力值,上升时减小,下降时增加。两者都是误差的表现之一。

文章内容来自网络,如有侵权,联系删除、联系电话:023-85238885