從測(cè)試技術(shù)來看，目前商業(yè)化的表面張力儀可以分為稱重法的表面張力儀、光學(xué)影像法的表面張力儀和氣泡法表面張力儀、滴體積法表面張力儀。其中，稱重法的表面張力儀的測(cè)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(yīng)用時(shí)通常采用約束停滴法可測(cè)試超低界面張力值，已測(cè)得值可達(dá)0.0001mN/m）和旋轉(zhuǎn)滴法界面張力儀（Spinning drop interface tensiometer）、光學(xué)法氣泡法表面張力儀（KINO產(chǎn)品，可用于測(cè)試油水動(dòng)態(tài)界面張力）。氣泡法的表面張力儀目前主要包括基于壓力傳感器的氣泡法表面張力儀(MBP, max bubble pressure)以及光學(xué)法氣泡法表面張力儀（KINO產(chǎn)品，可用于測(cè)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(cè)試儀器。其中，氣泡或液泡法和滴體積法表面張力儀主要應(yīng)用于測(cè)試動(dòng)態(tài)表面張力或界面張力值，是未來界面化學(xué)測(cè)試的趨勢(shì)。而界面化學(xué)測(cè)試的未來重要的實(shí)用工具為界面流變儀。美國(guó)科諾（USA KINO）采用了特殊結(jié)構(gòu)的振蕩模塊，可以實(shí)現(xiàn)非常高頻率200HZ的分析。

 

稱重法表面張力儀主要是指采用稱重傳感器作為測(cè)試技術(shù)的表面張力儀。在測(cè)試過程中，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(cè)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(qū)別在于白金環(huán)法測(cè)試的是稱重值而經(jīng)典白金板法是測(cè)試一段時(shí)間內(nèi)的平均稱重值。但歸結(jié)起來，其均是靜態(tài)表面張力測(cè)試技術(shù)。

而基于Young-Laplace方程修正的白金板法與經(jīng)典白金板法的顯著區(qū)別在于，前者無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(qū)別可參考如下視頻：http://v.youku.com/v_show/id_XODQ4Njk5MTI0.html 

白金環(huán)法的表面張力儀優(yōu)點(diǎn)在于無需非常高精度的稱重傳感器，是一個(gè)應(yīng)用非常長(zhǎng)的測(cè)試表面張力的儀器。例如現(xiàn)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)過校準(zhǔn)后，這些儀器還在正常使用。上海梭倫可提供相關(guān)校準(zhǔn)以及維修（如扭力絲等）。而其缺點(diǎn)在于無法測(cè)試表面活性劑的表面張力（因其為靜態(tài)表面張力儀）、無法測(cè)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(biāo)準(zhǔn)，因而不符合世界標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的白金環(huán)無法測(cè)準(zhǔn)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，也無法符合相應(yīng)的Young-Laplace方程修正。目前中國(guó)制的環(huán)（直徑是0.6mm的）是不符合世界標(biāo)準(zhǔn)的）。

經(jīng)典白金板法為各儀儀器廠商主要采用的方法，其優(yōu)缺點(diǎn)于白金環(huán)法一致。同時(shí)，該方法無法應(yīng)用于測(cè)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(yàn)證（文獻(xiàn)植為35mN/m，20攝氏度時(shí)）。通常經(jīng)典的白金板法僅能夠測(cè)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(jīng)申請(qǐng)，號(hào)201410722554.2），其自動(dòng)修正浮力和接觸角的影響，可以用于測(cè)試動(dòng)態(tài)表面張力值（達(dá)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(duì)傳感器的穩(wěn)定性要求較高，優(yōu)點(diǎn)在于測(cè)試的精度、重復(fù)性以及可信度更高，可用于測(cè)試各種表面活性劑的表面張力值以及界面張力值。

 

稱重法表面張力儀的傳感器主要分為扭力絲傳感器、應(yīng)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(yīng)用白金環(huán)法的表面張力儀，由于環(huán)的周長(zhǎng)比板而言長(zhǎng)得多，因而白金環(huán)法測(cè)試時(shí)稱重值較大，從而對(duì)傳感器要求較低。而應(yīng)變電阻的稱重傳感器只在極少數(shù)的中國(guó)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(guó)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(guó)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(biāo)小量程分析天平（如量程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(zhǔn)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(yīng)用于美國(guó)科諾的表面張力儀中，其精度可達(dá)1ug，速度可達(dá)92數(shù)據(jù)/秒。賽多利斯的分析天平主要應(yīng)用于美國(guó)科諾的B系列表面張力儀以及國(guó)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(cè)試技術(shù)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(yōu)于賽多利斯分析天平。主要在于其更新速度更快以及穩(wěn)定性（漂移更少）。但如果僅應(yīng)用于測(cè)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(cè)試時(shí)間比較長(zhǎng)，通常為0.1秒級(jí)，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(cè)值精度要求較高，中國(guó)制的分析天平不如梅特勒的分析天平。扭力絲以及應(yīng)變電阻的稱重傳感器由于其為開環(huán)系統(tǒng)，精度以及穩(wěn)定性均無法與分析天平的傳感器相比。

 

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(yīng)美國(guó)科諾的要求，梅特勒公司對(duì)其OEM分析天平針對(duì)美國(guó)科諾的特別指標(biāo)。而賽多利斯的OEM分析天平目前沒有這個(gè)指標(biāo)提出。具體實(shí)測(cè)情況下賽多利斯的分析天平通常更新速度為10數(shù)據(jù)/秒、梅特勒的分析天平通常為46數(shù)據(jù)/秒或92數(shù)據(jù)/秒（取決于所采購(gòu)的型號(hào)）。而中國(guó)產(chǎn)的分析天平通常為2數(shù)據(jù)/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(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)，但軟件以100Hz或50Hz讀取值，此時(shí)無法說明傳感器的更新速度是100或50數(shù)據(jù)/秒。這就要求用戶對(duì)此進(jìn)行明辨。

驗(yàn)證表面張力儀的稱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(nèi)讀到的數(shù)據(jù)量。通常這個(gè)時(shí)候需要采用串品調(diào)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(cè)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(shù)據(jù)/秒），均無法影響到測(cè)值結(jié)果。因?yàn)?，這兩種方法均是測(cè)試靜態(tài)表面張力值。所以，更新速度對(duì)于白金環(huán)法和經(jīng)典白金板法時(shí)，意義非不是很大。

 

表面張力儀的采購(gòu)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(jià)格而把其他因素所忽略。事實(shí)上，表面張力儀的選購(gòu)也有許多要注意的因素。

 

表面張力儀的主要溫度控制技術(shù)為恒溫水槽，美國(guó)科諾可以提供基于半導(dǎo)體制冷加熱技術(shù)的樣品池，溫度范圍可達(dá)-20－200攝氏度。溫度控制主要注意的是，在高溫時(shí)（超過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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及隔溫處理就非常重要了。如果超過100℃時(shí)，儀器的防風(fēng)門的材料就是需要注意的。很多公司采用了有機(jī)玻璃，在高溫時(shí)或使用時(shí)，門很容易變形。

 

無論是稱重原理中的白金環(huán)法還是經(jīng)典的白金板法，由于其均假設(shè)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(yīng)用于測(cè)試油水界面張力值時(shí)測(cè)值結(jié)果并不理想。特別是針對(duì)含有表面活性劑體系的油水界面張力值時(shí)，很容易出現(xiàn)稱重值非常低的情況。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(nèi)變動(dòng)。因而，在有條件時(shí)，我們建議用戶另行采購(gòu)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(cè)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(gòu)。在測(cè)試時(shí)還是有一些特殊的技術(shù)的。這個(gè)技術(shù)美國(guó)科諾稱其為飽和處理。而如果沒有條件時(shí)，建議用戶采用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。

 

這個(gè)取決于用戶的需求。但是，對(duì)于接觸角測(cè)試我們建議慎重考慮。稱重法原理的表面張力儀用于測(cè)試接觸角值時(shí)，通常采用了潤(rùn)濕天平方法（有于測(cè)試動(dòng)態(tài)接觸角值）以及基于Washburn的滲透法技術(shù)測(cè)試粉體材料的接觸角值。但是，潤(rùn)濕天平法的接觸角值與光學(xué)法的接觸角值測(cè)試無法進(jìn)行對(duì)比分析，無可比性。粉末材料采用滲透法測(cè)試時(shí)，大于60度的接觸角的材料無法測(cè)試，僅能夠進(jìn)行不同材料的潤(rùn)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(cè)量?jī)x可以完成接觸角測(cè)試，動(dòng)態(tài)接觸角測(cè)值，甚至是完成潤(rùn)濕速度的測(cè)試（高速相機(jī)可達(dá)1000幀/秒以上的速度）。因而，我們建議采購(gòu)的接觸角分析儀器或密度天平（通常中國(guó)產(chǎn)的也就5000元左右人民幣。）

 

樣品臺(tái)的升降系統(tǒng)的主要指標(biāo)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(gè)反相關(guān)函數(shù)。行程越大，螺距越大，控制精度也越差。而在表面張力儀的應(yīng)用于，位移的精度的重要性優(yōu)于行程范圍。具體來說，在表面張力儀中，0.1um精度的系統(tǒng)優(yōu)于1um的精度的升降系統(tǒng)。而100mm行程范圍的1um精度的系統(tǒng)比50mm行程范圍的0.1um的升降系統(tǒng)差。更大的行程范圍通常會(huì)導(dǎo)致移動(dòng)時(shí)間非常長(zhǎng)，因而，對(duì)升降系統(tǒng)的速度的要求也會(huì)有相應(yīng)的提高。但是，表面張力測(cè)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(tǒng)是關(guān)鍵考慮指標(biāo)，而非移動(dòng)范圍或行程范圍或快的移動(dòng)速度。在寫指標(biāo)要求時(shí)，應(yīng)該明確螺距和控制精度的要求，而無需把移動(dòng)范圍和速度等作為主要指標(biāo)或重點(diǎn)考慮指標(biāo)。

例如：如下表格中，后兩者均是優(yōu)于前兩個(gè)指標(biāo)項(xiàng)的。

 

目前商業(yè)化的表面張力儀的傳感器對(duì)于白金環(huán)法而言精度是可以滿足要求的。但是對(duì)于白金板法而言，傳感器的精度建議考慮起始精度應(yīng)該為0.1mg，即萬分之一的分析天平。目前，美國(guó)科諾的A101Plus、A601以及德國(guó)KRUSS的K100C均是滿足這個(gè)精度的。而上海梭倫于2005年設(shè)計(jì)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(shù)，校準(zhǔn)砝碼為非標(biāo)砝碼，與白金板的匹配不好，因而精度上會(huì)相對(duì)于全量程的分析天平而言會(huì)差許多。

如果應(yīng)用于測(cè)試表面活性劑的表面張力值，且可能會(huì)測(cè)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(duì)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(nèi)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(gòu)十萬分之一的分析天平傳感器，如美國(guó)科諾的A601Plus（0.01mg, 46數(shù)據(jù)/秒）、A801（0.01mg, 92數(shù)據(jù)/秒）或Kruss的K100MK2。但兩者的區(qū)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。

 

表面張力儀的離子風(fēng)模塊主要用于測(cè)試單纖維接觸角以及粉末材料時(shí)所使用。對(duì)于測(cè)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(qū)別。但對(duì)于本身沒有浮力修正技術(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(duì)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(cè)值影響不是非常大，所以，美國(guó)科諾的儀器通常沒有把離子風(fēng)模塊作為標(biāo)準(zhǔn)配置，而作為選配件供客戶選購(gòu)。

 

這個(gè)問題包括兩個(gè)方面：，分析天平是否有保護(hù)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(hù)。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架均不會(huì)對(duì)天平造成影響。因而無須額外的天平自動(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(guó)科諾主要采用軟連接方式）、其二為硬連接方式（德國(guó)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(hù)。如果傳感器或分析天平?jīng)]有這個(gè)保護(hù)，則需要額外設(shè)計(jì)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，沒有上限位保護(hù)，則需要設(shè)計(jì)天平自動(dòng)鎖，同時(shí)需要一個(gè)阻尼震蕩回復(fù)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(duì)于硬連接時(shí)會(huì)好得多，而硬連接的優(yōu)點(diǎn)在于測(cè)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(cè)試技術(shù)決定其無法測(cè)試有粘度樣品的表面張力值，所以，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)就無從談起了。同時(shí)，硬連接方式可以迅速使得白金環(huán)或白金板穩(wěn)定下來而不會(huì)來回晃動(dòng)。而事實(shí)上，美國(guó)科諾的表面張力儀采用軟連接時(shí)，當(dāng)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(wěn)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(duì)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(duì)于測(cè)值的影響。事實(shí)上，只有很少的儀器廠商采用硬連接的方式，美國(guó)科諾的儀器只有在測(cè)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(fù)模塊是判斷表面張力儀連接方式的一個(gè)依據(jù)，其意義僅在于用戶對(duì)于表面張力測(cè)試方法的判斷而非決定性指標(biāo)。

 

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

目前表面張力儀測(cè)試范圍和測(cè)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(shí)上，除上海梭倫2005年設(shè)計(jì)的非標(biāo)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量程為50g或200g或210g或220g，無論哪個(gè)量程換算回表面張力值時(shí)，其值均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1000或2000mN/m。因而量程對(duì)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(duì)于表面張力儀而言意義也并不是很大。正如數(shù)學(xué)上1/3取多少位小數(shù)而言，分辨多少位的意義一樣。

因而，對(duì)于表面張力儀的本系列指標(biāo)而言，更重要的考察對(duì)象應(yīng)該是：采用了何種傳感器（應(yīng)用電阻稱重傳感器＜扭力絲傳感器＜中國(guó)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(guó)的還是梅特勒的還是賽多利斯的，還是其他生產(chǎn)廠的）、分析天平的量程以及精度（十萬分之一的還是萬分之一的）等。

 

可以。但我們建議用戶選購(gòu)基于接觸角儀的粘附力測(cè)試系統(tǒng)，因?yàn)榇藭r(shí)可以把粘附力測(cè)試時(shí)的圖像捕捉下來，且可以很高精度的控制液滴量（針管進(jìn)液而非細(xì)鋼絲圈）。

 

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)，建議用戶采購(gòu)一個(gè)超聲波清洗機(jī)，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？

建議用戶選購(gòu)玻璃板代替白金板測(cè)試表面張力值，并一次性拋棄使用。測(cè)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(cè)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(gòu)聚四氟乙烯板。

 

無論是經(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(yīng)，因而，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，由于其沒有浸入與拉升動(dòng)作，結(jié)合美國(guó)科諾的微量樣品池（1mL），可以測(cè)試1mL液體量時(shí)的表面張力值。當(dāng)然，如果液滴量更低時(shí)，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。

 

 本文的版權(quán)屬于上海梭倫信息科技有限公司。如需引用或轉(zhuǎn)用，請(qǐng)與我們聯(lián)系并取得我們授權(quán)。對(duì)于任何形式的知識(shí)產(chǎn)權(quán)侵權(quán)，我公司保留追究相應(yīng)責(zé)任人法律責(zé)任的權(quán)利。2017年1月23日。