[发明专利]一种基于分析天平的界面张力和接触角测试装置和方法

说明书

技术领域

本专利公布了一种采用分析天平作为称重传感器，利用分析天平现有的上置托盘或者侧挂托盘的结构，增加一套升降机构，实现界面张力、表面张力以及接触角测值的装置。通过本装置，可以实现一个仪器完成分析天平称重、密度天平以及称重原理下的表/界面张力和接触角的测量，达到一机多用的目的。在测试方法上采用了基于Young-Laplace方程修正并结合Wilhelmy板法公式的静置式白金板法技术，动态测试表面张力、接触角和界面张力值。本专利涉及的技术可广泛应用于日化、农药、石油化工、表面活性剂研究、消防、电力等各个行业领域，具有极高的推广价值。 

背景技术

白金板法（Wilhelmy plate method）作为一种经典的方法由L.Wilhelmy1863年提出（关于酒精毛细常数对被湿润固体的物质和形状的依赖性Ueber die Abhangigkeit der Capillaritats - Constanten des Alkohols von Substanz und Gestalt des benetzlen festen Korpers,Von.Ludwig Wilhelmy, Ann. Phys., 119,177(1863)）。这种方法与白金环法（DuNouy ring）一起组成了称重原理测试液－气表面张力或液－液界面张力的经典方法。通过将白金板更换成已知润湿周长的固体样品，在液体表面张力值已知的情况下，可以测试固－液－气三相间的接触角值，即众所周知的润湿天平或动态接触角技术。应用白金环法或者白金板法测试表面张力、界面张力或接触角的装置已经实现了商业化，包括Kruss、Dataphysics、KSV、Cahn、Kyowa、USA KINO、上海梭伦信息科技有限公司、上海中晨数字技术有限公司、承德试验机厂等公司。从商业化的仪器来看，其技术特点主要体现为：（1）采用经典的传感器联接结构，即传感器位于整体结构的上方，通过下挂称钩联接白金板或白金环后完成测试目的；（2）表面张力的算法上采用了经典的算法，如采用了C. Huh and S. G. Mason或Zuidema & Waters修正的白金环法（DuNouy法）和简单力学公式法的白金板法（ ,当采用铂金板法时θ＝0， COSθ＝1）。 

国内外的已经公开的专利中与表面张力相关的专利非常多，涉及的原理包括了称重法、最大气泡法、滴体积法、毛细管法、激光法等等。其中，与本专利相关的称重法的专利最多，特别在中国相关专利达到了近30项。总体来看的情况如下：（1）对测试探针（如板或环）的改进的，包括ZL 200620131314.6《一种液体表面张力系数测定仪》、ZL02246571.5《表面张力测量吊片》、ZL200910116749.1《一种液体表面张力系数测量仪器》等；这些专利与本专利所述求的技术没有关系而不影响本专利的创新性；（2）对称重传感器的改进的，包括ZL01216371《液体界面张力仪》、ZL01254339.X《一种液体表面张力系数测定仪》、ZL200520039453.1《一种自动液体表面张力检测仪》、ZL 200610054181.1《变温液体表面张力系数测定实验装置》、ZL 200620051680.0《一种液体表面张力系数测定仪》、ZL 201120020899.5《自动界面张力测定仪》等，其创新点在于采用了扭力丝或改进了扭力丝传感器、或引入新的传感器（如应变片传感器、分析天平）等，与本专利所述的创新性结构（不改变分析天平结构的情况下增加一个升降机构）不存在冲突，因而不影响本专利的创新性；（3）对样品池温度控制或样品台等部分结构的创新，包括ZL02213618.5《液体表面张力测定用样品台》、ZL200820208896.2《一种测定液体表面张力系数的实验装置》、ZL201120008560.3《化学教学用液体表面张力系数测量装置》等，由于涉及的创新点与本专利无关，也不影响本专利的创新性；（4）表面张力测试整体结构的创新，包括ZL 201020159905.0《白金板法测试液-气表面张力和液 -液界面张力的仪器》、ZL 201120065224.2《一种液体铂金环法表面/界面张力仪》、日本专利JP2001099772A《表面张力测定方法》（日本KYOWA手动表面张力仪）等，这些专利的结构采用了与专利不一致的联结关系，因而也不影响本专利的创新性。