表面張力儀選購指18問以及相關技術要點

本文以提問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、測試原理要點。

1、表面張力儀如何分類？

從測試技術來看，目前商業化的表面張力儀可以分為稱重法的表面張力儀、光學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）、經典的白金板法（吊板法，零浮力法、Wilhelmy pate method）和白金環法（DuNouy Ring method）。光學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，事實應用時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）、光學法大氣泡法表面張力儀（KINO產品，可用于測試油水動態界面張力）。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)以及光學法大氣泡法表面張力儀（KINO產品，可用于測試油水動態界面張力）。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態表面張力或界面張力值，是未來界面化學測試的趨勢。而界面化學測試的未來重要的實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，可以實現非常高頻率200HZ的分析。

2、稱重法表面張力儀主要包括哪些測試原理？其顯著區別是什么？各自優缺點是什么？

稱重法表面張力儀主要是指采用稱重傳感器作為測試技術的表面張力儀。在測試過程中，采用玻璃板、聚四氟板或白金板（鉑金板）、白金環（鉑金環）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。

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

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

白金環法的表面張力儀優點在于無需非常高精度的稱重傳感器，是一個應用非常長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白金環法的表面張力儀。經過校準后，這些儀器還在正常使用。上海梭倫可提供相關校準以及維修（如扭力絲等）。而其缺點在于無法測試表面活性劑的表面張力（因其為靜態表面張力儀）、無法測試有粘度的樣品、白金環易變形成本較高。同時，白金環具有世界標準，因而不符合世界標準設計的白金環無法測準35mN/m以下的表面張力值（因其修正因子此時發生明顯變化，也無法符合相應的Young-Laplace方程修正。目前中國制的環（直徑是0.6mm的）是不符合世界標準的）。

經典白金板法為各儀儀器廠商主要采用的方法，其優缺點于白金環法一致。同時，該方法無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）。通常經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特征為具有接觸角和浮力修正。（此方法上海梭倫的已經申請，號201410722554.2），其自動修正浮力和接觸角的影響，可以用于測試動態表面張力值（達到平衡表面張力時所需要的時間Te以及Dead time時間，表面活性劑作用時間Ta）。缺點在于對傳感器的穩定性要求較高，優點在于測試的精度、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法的表面張力儀，由于環的周長比板而言長得多，因而白金環法測試時稱重值較大，從而對傳感器要求較低。而應變電阻的稱重傳感器只在極少數的中國產表面張力儀中使用，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分為兩種技術，一種是全量程分析天平技術、一種是非標小量程分析天平（如程1g左右），后者的技術為上海梭倫*代技術，其誤差較大，特別是天平校準時要求非常高，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。

如果考慮動態表面張力或界面張力測試技術來看，在采用Young-Laplace方程修正的白金板法，梅特勒的分析天平優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表面張力，如經典的基于零浮力的白金板法或白金環法時，由于本身的測試時間比較長，通常為0.1秒級，此時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重傳感器由于其為開環系統，精度以及穩定性均無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分析天平目前沒有這個指標提出。具體實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數據發送數據，但軟件以100Hz或50Hz讀取值，此時無法說明傳感器的更新速度是100或50數據/秒。這就要求用戶對此進行明辨。

驗證表面張力儀的稱重傳感器的更新速度的方法非常簡單，采用一個秒表，記錄下一段時間內讀到的數據量。通常這個時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法或經典的白金板法測試表面張力值，那么該表面張力儀的無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），均無法影響到測值結果。因為，這兩種方法均是測試靜態表面張力值。所以，更新速度對于白金環法和經典白金板法時，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所忽視。通常而言，大部分的用戶僅考慮價格而把其他因素所忽略。事實上，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態吸附，需要的精度是多少？或者說是動態表面張力值的吸附反應時間精度，平衡表面張力時間。

（7）是否需要控溫？溫度不同，表面張力值會有變化。

（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有哪些？要注意哪些方面？

表面張力儀的主要溫度控制技術為恒溫水槽，美國科諾可以提供基于半導體制冷加熱技術的樣品池，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（超過60℃），儀器的傳感器會受溫度影響非常大，此時，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100℃時，儀器的防風門的材料就是需要注意的。很多公司采用了有機玻璃，在高溫時或使用時，門很容易變形。

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。

無論是稱重原理中的白金環法還是經典的白金板法，由于其均假設白金環或白金板在油水界面時形成了零接觸角值，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，很容易出現稱重值非常低的情況。事實上，接觸角的變化在油水界面體系中非常大，通常會從29－129度很大的范圍內變動。因而，在有條件時，我們建議用戶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。在測試時還是有一些特殊的技術的。這個技術美國科諾稱其為飽和處理。而如果沒有條件時，建議用戶采用Young-Laplace方程修正技術白金板法，同時注意做好接觸角修正以及飽和處理。

8、稱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。

這個取決于用戶的需求。但是，對于接觸角測試我們建議慎重考慮。稱重法原理的表面張力儀用于測試接觸角值時，通常采用了潤濕天平方法（有于測試動態接觸角值）以及基于Washburn的滲透法技術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法的接觸角值測試無法進行對比分析，無可比性。粉末材料采用滲透法測試時，大于60度的接觸角的材料無法測試，僅能夠進行不同材料的潤濕速度的比較，而不是的接觸角值。而事實上，光學接觸角測量儀可以完成接觸角測試，動態接觸角測值，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為行程范圍以及精度。行程范圍與精度通常是一個反相關函數。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優于行程范圍。具體來說，在表面張力儀中，0.1um精度的系統優于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導致移動時間非常長，因而，對升降系統的速度的要求也會有相應的提高。但是，表面張力測試時，速度更慢優于速度快，移動速度0.1mm/s優于1mm/s。所以，控制精度更高、螺距更小的升降系統是關鍵考慮指標，而非移動范圍或行程范圍或快的移動速度。在寫指標要求時，應該明確螺距和控制精度的要求，而無需把移動范圍和速度等作為主要指標或重點考慮指標。

例如：如下表格中，后兩者均是優于前兩個指標項的。

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？

目前商業化的表面張力儀的傳感器對于白金環法而言精度是可以滿足要求的。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均是滿足這個精度的。而上海梭倫于2005年設計的BZY系列BZY－1為千分之一，BZY－2為萬分之一，但BZY－2采用的縮小量程的技術，校準砝碼為非標砝碼，與白金板的匹配不好，因而精度上會相對于全量程的分析天平而言會差許多。

如果應用于測試表面活性劑的表面張力值，且可能會測試表面活性劑體體系的油水界面張力值時，由于微小濃度變化均會對表面張力產生作用，且表面活性劑體系的表面張力范圍已經在一個很小的范圍內如16－35mN/m，因而，此時的表面張力儀的傳感器的要求就會變得非常高，通常建議采購十萬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表面張力儀、前者是動態表面張力儀。

11、表面張力儀的離子風模塊有何作用？

表面張力儀的離子風模塊主要用于測試單纖維接觸角以及粉末材料時所使用。對于測試環境條件靜電比較厲害的情況下，離子風可以消除靜電影響，因而離子風模塊是一個備選件。在有靜電條件時，液面與白金板會提前于正常時接觸到，液位水平面的查找技術會有區別。但對于本身沒有浮力修正技術的經典白金板法時，離子風模塊的使用與不使用影響不會很大。但對于基于Young-Laplace方程修正的白金板法，由于浮力會有變化（液面提前接觸），因而會有影響，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有把離子風模塊作為標準配置，而作為選配件供客戶選購。

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

這個問題包括兩個方面：*，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、下限位兩個位置的保護。因而，向下拉動或向上托起表面張力儀的傳感杠桿或托盤架均不會對天平造成影響。因而無須額外的天平自動鎖。

（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，裝載白金板或白金環時會產生額外的向下拉的動作，因而，要求分析天平有一個下限位的保護。如果傳感器或分析天平沒有這個保護，則需要額外設計天平自動鎖。硬連接方式在裝載白金環或白金板時會額外產生一個向上托的動作。如果分析天平不夠好，沒有上限位保護，則需要設計天平自動鎖，同時需要一個阻尼震蕩回復模塊。軟連接的優點在于白金環和板的水平保持相對于硬連接時會好得多，而硬連接的優點在于測試高粘度樣品時，易于將板或環插入到液體中。但事實上，采用硬連接的表面張力儀由于其測試技術決定其無法測試有粘度樣品的表面張力值，所以，這個優點就無從談起了。同時，硬連接方式可以迅速使得白金環或白金板穩定下來而不會來回晃動。而事實上，美國科諾的表面張力儀采用軟連接時，當白金環或白金板晃動時，分析天平上的值根本不會有變動（分析天平的穩定性足夠好），且接觸到液面后，晃動會馬上停止。所以，相對于微略的缺點而言，我們更看重軟連接方式時的環或板的水平度對于測值的影響。事實上，只有很少的儀器廠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才會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依據，其意義僅在于用戶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？購買表面張力儀主要參考什么指標？

商業化的表面張力儀均會提及測試范圍、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指標。目前國外的儀器廠商均會標明分辨率，即Resolution，而這個指標并非測值精度。

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，無論哪個程換算回表面張力值時，其值均遠遠大于1000或2000mN/m。因而程對于表面張力儀而言沒有任何意義。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）、分析天平的產地（中國的還是梅特勒的還是賽多利斯的，還是其他生產廠的）、分析天平的程以及精度（十萬分之一的還是萬分之一的）等。

14、表面張力儀是否可以用于測試粘附力？

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

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、白金板、樣品皿等。同時，建議用戶采購一個超聲波清洗機，用于清洗樣品皿以及白金板、白金環。

16、表面張力儀使用環境要求不能使用酒精燈或明火時怎么辦？

建議用戶選購玻璃板代替白金板測試表面張力值，并一次性拋棄使用。測值精度仍能夠。

17、在什么時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，建議采購聚四氟乙烯板。

18、稱重原理的表面張力儀的小液滴使用量是多少？樣品非常貴時怎么辦？

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

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