OT系列光学表/界面张力测量仪

OT系列光学表/界面张力测量仪

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2024-05-13 07:49:07
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OSAOpticalTensiometers-OT系列光学表/界面张力测量仪当经典理论遇上现代技术-Theclassicaltheoryandmodernapproachrevolutionizetheinterfacialtensionmeasurementtechniques液体表/界面张力的测量是一经典的课题

详细介绍

OSA™ Optical Tensiometers - OT系列光学表/界面张力测量仪
当经典理论遇上现代技术 - The classical theory and modern approach revolutionize the interfacial tension measurement techniques

液体表/界面张力的测量是一经典的课题。早在17-18世纪人们就认识到毛细管现象,并通过这一现象来测量液体的这一属性。直到今天,毛细管升高现象仍然被用来准确测量液体的表面张力。19世纪初Young和Laplace先后发表了二篇有关表面张力现象和本质的文章,把表面张力与分子之间的相互作用力(cohesion)和表面二侧的压力差联系起来,稍后Gauss引入了表面能的概念。19世纪末Gibbs指出了对于固体表面表面张力与表面能之间的原则性差别,Rayleigh随后发现对于单一组分的液体,表面张力与表面能是等同的。

表/界面张力作为物质(或体系)的一基本属性,以及其与分子之间相互作用力的紧密关系,不但涉及基础研究的许多领域,而且也与自然现象和实际应用密切相关。有人甚至推测界面现象是导致生命在地球上出现的关键因素之一。所以有关表/界面张力的测量方法和技术始终紧紧地伴随着界面领域的发展和深入。测量的方法和技术不可避免地与每一时代的技术发展同步,从最初的毛细管升高法(capillary rise),液滴滴体积法(drop volume/weight),到基于称重(测力)原理的薄板(Wilhelmy plate,1863)法和吊环法(Du Noüy-ring,1918/1919),到后来的气泡压力法(maximum bubble pressure,1922?)以及振荡射流法(oscillating jet,1972)等,再到现代的基于液滴(drop)或液体界面(meniscus)的光学测量法。

表/界面张力的测量方法可总分为二大类:静态表/界面张力的测量(静态法)和动态表/界面张力的测量(动态法)。原则上讲,动态是的,静态只是相对的。对于表面张力来说,一般只有简单的单组分的纯液体(one-component pure liquids)体系的表面张力值才会是一恒定值,也即(几乎)不随时间变化。其它任何体系的表/界面张力值都是时间的函数: 有些需要几小时(甚至几天)才能达到平衡值,有的则在几十分之一毫秒后就已达到平衡值。所以对非单组分的液体,尤其对含有表面活性物质或杂质的溶液或液体体系,只是笼统地给出一个表/界面张力的值其实是不充分的,应该同时说明测量的方法,与获得的测量值对应的表/界面寿命(surface/interface age),以及是否属于最终的平衡值。表/界面张力随时间变化的现象是与液体中表/界面活性物质从体相往界面层(通过扩散)迁移、吸附到界面、再在界面上进行排列/取向/构象转变等松弛过程紧密相关的,所以测量动态表面张力为认识相关过程、获得相关信息提供了一个非常有效的途径。另外动态表/界面张力对深入理解诸如发泡、乳化、表面流变现象(surface rheology)、涂料流动等界面现象也极为重要,而这些界面现象又直接影响到许多技术、生物和医药等方面的应用。

目前市场上已经商品化的表/界面张力的测量方法约有近10种,其主要代表是传统的薄板法/吊环法、气泡压力法、液滴滴体积法、旋转液滴法和近代的以分析液滴/液面全轮廓为基础的液滴或液体界面法,后者又以悬滴法有代表性。应该根据具体的实际应用选择一个合适的测量方法或衡量一个测量方法对具体应用的优、缺点和适用性。[进一步阅读:选择测量方法时应考虑的一些方面]

OT系列光学表/界面张力测量仪是以分析液滴/液面全轮廓为基础的表/界面张力测量方法。其方法的基本原理是基于19世纪初由Laplace和Young建立起来的有关液体液面(meniscus)形状与其界面张力的关系。根据这一关系,在只有重力作用的环境中,液体液面的形状是由界面张力和重力共同决定的,所以通过对液体液面形状的测量、分析和计算,在已知重力作用的前提下,就可以反过来确定界面张力的值。这好像听起来并不复杂,但由于二者的关系无简单的解析解,所以这一原理的真正应用一直到了高速计算机出现后才成为可能。其中近代数字图像技术的快速发展也为这一方法的最终商品化扫除了障碍。

悬滴法是当前基于分析液滴/液面全轮廓表/界面张力测量方法中代表性的光学测量技术,它特出地表现在以下几方面:

所以在几乎所有的方面,基于悬滴分析法的表面/界面张力测量技术都表现出杰出的优点和强处,是当前所有商品化方法中通用性、精度、操作最简易以及使用成本的一种方法。其它的一些商品化方法只有在某些特殊的应用领域表现出比悬滴法更优异的特性,比如气泡压力法在测量更短时间段(低于约0.1秒)的动态表面张力能力上仍比悬滴法优异,而旋转液滴法在测量极低界面张力(低于约0.01mN/m以下)体系方面仍比悬滴法更合适。当前商品化的测量仪器虽然仍以传统的基于称重(测力)原理的薄板法和吊环法为主,但这纯粹是基于历史性的原因,这些方法本身在上面提及的各个方面都没有能胜过/超越悬滴法的。

需要指出的是,并非所有市场上供应的悬滴法都具有以上指出的特性。性能不好的悬滴法无法达到以上的指标:这就像所有的东西或事物,我们不能简单地根据其名称就来判断其性能。有些厂家提供的性能明显不佳的悬滴法,给一些接触过这一测量方法的人留下并不好的使用体会和印象。

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