析塔全自動(dòng)動(dòng)靜態(tài)表面張力儀

表面張力系數(shù)的定義

液體的表面張力系數(shù)σ是指在恒溫條件下，表面張力所引起的表面功與其引起的面積變化之比。受表面活性劑特性的影響，液體中的表面活性劑在液體內(nèi)部保持平衡狀態(tài)；但在液體與空氣界面表面活性劑分子的親水基伸向液體，疏水基伸向空氣。

潤(rùn)濕原理

當(dāng)液體與基材接觸時(shí)，會(huì)在短時(shí)間內(nèi)形成液-固界面，短時(shí)間內(nèi)遷移至固體界面上的表面活性劑分子數(shù)量決定了最終的潤(rùn)濕效果。遷移到界面的表面活性劑分子數(shù)量越多，即反映出來(lái)的此時(shí)刻動(dòng)態(tài)表面張力越小，最終的潤(rùn)濕效果越好。

表面張力的測(cè)量方法

主流測(cè)試方法有兩類：

靜態(tài)表面張力測(cè)試：鉑金環(huán)或鉑金板→ 與時(shí)間無(wú)關(guān)（即靜態(tài)表面張力體現(xiàn)的是表面張力的最終結(jié)果）；

動(dòng)態(tài)表面張力測(cè)試：最大氣泡壓力法 → 與時(shí)間相關(guān)（即動(dòng)態(tài)表面張力體現(xiàn)的是表面張力變化過(guò)程）。

從材料潤(rùn)濕的角度，與時(shí)間無(wú)關(guān)的潤(rùn)濕條件，關(guān)注靜態(tài)表面張力值即可；

與時(shí)間相關(guān)的潤(rùn)濕條件和清洗槽表面活性劑的添加，動(dòng)態(tài)表面張力監(jiān)控尤其重要。

表面張力數(shù)值如何發(fā)揮作用？

代表了表面活性劑的變化。表面活性劑被廣泛應(yīng)用于許多工業(yè)中，發(fā)揮作用的是它們的表面活性，即它們擴(kuò)散和吸附到新形成界面并影響其表面張力。進(jìn)一步，發(fā)揮作用的是表面活性劑的吸附過(guò)程快慢，以及在短時(shí)間內(nèi)表面張力的下降速度，要符合使用者的需求。因此使用者可能會(huì)尋找許多表面活性劑來(lái)測(cè)試不同環(huán)境下的實(shí)際效果，對(duì)于研發(fā)與生產(chǎn)都需要花費(fèi)大量時(shí)間與成本。

由于表面張力依賴于表面活性劑的含量，所以我們可以通過(guò)測(cè)定液體表面張力來(lái)監(jiān)控表面活性劑的變化。此外，溫度同樣會(huì)影響表面張力；測(cè)量表面張力也可以用于分析一種或多種表面活性劑混合的臨界膠束濃度。

目前市場(chǎng)上已經(jīng)有多種測(cè)量液體表面張力的儀器，有的測(cè)的是靜態(tài)的、有的測(cè)的是動(dòng)態(tài)的。

為什么要測(cè)液體動(dòng)態(tài)表面張力——案例解讀

1、許多有表面活性劑參與的化學(xué)和物理過(guò)程是以毫秒計(jì)的。例如各種涂裝、印刷、電鍍工藝中的潤(rùn)濕、清洗過(guò)程，如打印墨水從打印噴頭噴到紙張等底材的瞬間過(guò)程，各種各樣材料的印刷等都屬于動(dòng)態(tài)過(guò)程。對(duì)于這些應(yīng)用，就要求檢測(cè)短時(shí)間內(nèi)的動(dòng)態(tài)表面張力值而非靜態(tài)表面張力值。

2、在有關(guān)CMC（臨界膠束濃度）值的研發(fā)時(shí)，當(dāng)表面活性劑的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)CMC值時(shí)，改變表面活性劑的濃度不會(huì)改變平衡態(tài)的表面張力（靜態(tài)表面張力），而通過(guò)動(dòng)態(tài)表面張力測(cè)量，即使?jié)舛冗_(dá)到CMC值的幾倍也能看出不同濃度下表面活性劑的顯著區(qū)別。

舉例：

1、許多有表面活性劑參與的化學(xué)和物理過(guò)程是以毫秒計(jì)的。例如各種底材表面的清洗、浸濕過(guò)程，打印墨水從打印噴頭噴到紙張等底材的瞬間過(guò)程，各種各樣材料的印刷等都屬于動(dòng)態(tài)過(guò)程。對(duì)于這些應(yīng)用，就要求檢測(cè)段時(shí)間內(nèi)的動(dòng)態(tài)表面張力值而非靜態(tài)表面張力值。

2、在有關(guān)CMC值的研發(fā)時(shí)，當(dāng)表面活性劑的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)臨界膠束濃度時(shí)，改變表面活性劑的濃度不改變平衡態(tài)的表面張力（靜態(tài)表面張力），而通過(guò)動(dòng)態(tài)表面張力測(cè)量時(shí)即使?jié)舛冗_(dá)到四倍的臨界膠束濃度也能看出它的顯著作用。

例如：下圖中，紅、綠、黃色分別代表三種表面活性劑濃度從低到高的液體配方的動(dòng)態(tài)至靜態(tài)的表面張力。

可以看到三個(gè)配方的靜態(tài)表面張力很相近（最右邊的數(shù)值），而動(dòng)態(tài)表面張力（左邊的數(shù)據(jù)）才能體現(xiàn)出配方之間的性能差異較大。

析塔表面張力儀與傳統(tǒng)張力儀比較

析塔動(dòng)態(tài)表面張力儀客戶名單（部分）

析塔動(dòng)態(tài)表面張力儀工作原理

采用氣泡壓力法測(cè)量液體的動(dòng)態(tài)及靜態(tài)表面張力，無(wú)需精確控制毛細(xì)管浸入深度，測(cè)量精度高，操作靈活。通過(guò)毛細(xì)管將空氣向待測(cè)液體吹入氣泡。氣泡內(nèi)的壓力隨氣泡半徑的變化而不斷變化。因此，表面張力可由壓力最大值和最小值的差值來(lái)計(jì)算。使用純水即可自動(dòng)對(duì)儀器完成校準(zhǔn)。

析塔表面張力儀型號(hào)介紹

析塔表面張力儀，共有4種型號(hào)。

析塔SITA Dynotester+動(dòng)態(tài)表面張力儀

功能特點(diǎn)

△ 方便攜帶

●長(zhǎng)達(dá)10個(gè)小時(shí)的操作時(shí)間，最多可存儲(chǔ)25組測(cè)量數(shù)據(jù)；

●尺寸小，重量輕，便于隨身攜帶，外帶測(cè)試；

△ 實(shí)際性強(qiáng)

●人性化操作界面，無(wú)多級(jí)菜單——一鍵完成操作；

●配有堅(jiān)固支架，適合長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量；

●直接存儲(chǔ)測(cè)量結(jié)果。

△ 高精度確度

●快捷按鍵可以預(yù)設(shè)3個(gè)氣泡時(shí)間，這避免了人為操作產(chǎn)生的誤差。

●測(cè)量結(jié)果可與其他所有SITA表面張力儀數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

●自動(dòng)調(diào)節(jié)表面測(cè)量——避免人為操作誤差。

●可靠的預(yù)設(shè)參數(shù)有效避免了測(cè)試偏差。

△ 動(dòng)態(tài)檢測(cè)

●滿足表面張力的動(dòng)態(tài)檢測(cè)需求。

析塔SITA Pro Line t15 全自動(dòng)動(dòng)態(tài)及靜態(tài)表面張力儀

功能特點(diǎn)：

● 快速精準(zhǔn)測(cè)出動(dòng)態(tài)及靜態(tài)表面張力值，重復(fù)性很好

● 內(nèi)置自動(dòng)校準(zhǔn)功能，操作靈活簡(jiǎn)單

● 自動(dòng)調(diào)節(jié)氣泡壽命，范圍廣：15毫秒~20秒

● 監(jiān)測(cè)表面活性劑濃度、配方研發(fā)、表活品控

● 提供在線型號(hào)可在生產(chǎn)線上在線監(jiān)測(cè)

實(shí)際應(yīng)用

（1）產(chǎn)品質(zhì)量控制和工藝監(jiān)控

●在清洗金屬零件、電鍍液、半導(dǎo)體生產(chǎn)等過(guò)程中控制表面張力和表面活性劑濃度

● 監(jiān)測(cè)工廠或?qū)嶒?yàn)室中含有表面活性劑的液體

● 監(jiān)控油墨和油漆產(chǎn)品質(zhì)量

（2）研究與開發(fā)

● 該產(chǎn)品用于清洗，電鍍液，油墨，油漆等行業(yè)應(yīng)用

（3）單一模式

●為控制、測(cè)量任務(wù)和監(jiān)測(cè)濃度進(jìn)行快速測(cè)量

（4）自動(dòng)模式

●建立含表面活性劑液體的動(dòng)態(tài)表面張力特性曲線

●表面活性劑的動(dòng)力學(xué)和潤(rùn)濕特性

（5）在線模式

●觀察評(píng)估表面張力隨時(shí)間的變化情況樣品穩(wěn)定性：溶解和老化特性；表面活性劑濃度的變化；創(chuàng)建溫度曲線

析塔SITA Science Line t100實(shí)驗(yàn)室表面張力儀

功能特點(diǎn)

● 15毫秒---100秒氣泡壽命，從高動(dòng)態(tài)到準(zhǔn)靜態(tài)的大范圍測(cè)量；

● 可實(shí)現(xiàn)編程全自動(dòng)按時(shí)定量/變量添加液體，自動(dòng)測(cè)量并記錄；

● 數(shù)據(jù)(需另購(gòu)配件)，全自動(dòng)測(cè)量CMC, 彩色液晶顯示數(shù)據(jù)；

● 可使用空氣或惰性氣體生成氣泡液體樣品溫度：-20至125攝氏度。

實(shí)際應(yīng)用

● 測(cè)量液體中的表面張力

● 表面活性劑的表征與分析

● 研究與產(chǎn)品開發(fā)

● 產(chǎn)品質(zhì)量控制

析塔SITA Clean Line ST集成式在線表面張力儀

功能特點(diǎn)

● 量化并保證工藝過(guò)程的質(zhì)量;

● 按消耗量自動(dòng)配制表面活性劑;

● 通過(guò)管理控制工藝過(guò)程，提高產(chǎn)品的質(zhì)量;

● 為工藝過(guò)程提供可靠性的解決方案;

● 減少清洗劑的消耗，環(huán)保，通過(guò)優(yōu)化工藝降低成本。

動(dòng)態(tài)表面張力在工業(yè)中的應(yīng)用

工業(yè)清洗行業(yè)---焊接、電鍍、噴涂前的清洗處理確保合適的表面活性劑濃度

在工業(yè)清洗中浸洗與淋洗用到大量表面活性劑。清洗機(jī)理如下：

由表面活性劑包裹污染物，促凈劑(堿、鹽)使工件與污染物表面產(chǎn)生相同的負(fù)電荷后相斥分離。清洗效果主要由清洗液中穩(wěn)定而且適量的表面活性劑濃度來(lái)保證。

在實(shí)際生產(chǎn)中，表面活性劑的消耗受到零件上的污染物的多少和種類影響，還會(huì)因?yàn)榱慵С觥⑶逑床叟欧?如超濾、油分離器)和漂洗水回流稀釋的影響。因此，浸泡清洗中的表面活性劑的消耗狀況是極不穩(wěn)定的。而過(guò)量添加清洗劑也會(huì)使漂洗殘留而成為污染源。

目前國(guó)內(nèi)判定浸泡清洗中清洗劑的添加量主要按時(shí)間間隔或根據(jù)游離堿濃度補(bǔ)充。由于表面活性劑和堿的消耗速度不一樣，這兩種方法都不能真正測(cè)出表面活性劑濃度，造成在生產(chǎn)中表面活性制的濃度過(guò)高或過(guò)低。采用析塔動(dòng)態(tài)表面張力儀測(cè)出表面活性劑濃度再根據(jù)消耗量進(jìn)行適量添加，大大提高了工業(yè)清洗的穩(wěn)定性。

噴墨、涂料油墨行業(yè)

噴墨與動(dòng)態(tài)表面張力的關(guān)系：在打印過(guò)程中，動(dòng)態(tài)表面張力影響墨水最終打印效果的有兩個(gè)狀態(tài)：墨水飛出噴頭瞬間的形狀和墨水在底材上的鋪展。

當(dāng)墨水飛出噴頭的瞬間，若動(dòng)態(tài)表面張力過(guò)大，容易出現(xiàn)墨滴拖尾的現(xiàn)象，造成拉線問(wèn)題；若表面張力過(guò)小，墨水噴出時(shí)容易擴(kuò)散，在空中分離，易產(chǎn)生衛(wèi)星狀墨滴，使圖案的清晰度和層次感降低，并隨著時(shí)間的遷移，在噴嘴膜形成墨滴，造成掛墨。

印刷油墨與動(dòng)態(tài)表面張力的關(guān)系：當(dāng)墨水與底材接觸，會(huì)在短時(shí)間內(nèi)形成液—固界面，在短時(shí)間內(nèi)遷移至此液—固界面上的表面活性劑分子數(shù)量決定了最終的潤(rùn)濕效果。遷移到界面的表面活性劑分子數(shù)量越多，即反映出來(lái)的此時(shí)刻動(dòng)態(tài)表面張力越小，最終的潤(rùn)濕效果越好;反之潤(rùn)濕效果越差。

因此，墨水能否快速地潤(rùn)濕取決于墨水在粘度未升高且未干固前的動(dòng)態(tài)表面張力值。 傳統(tǒng)的靜態(tài)表面張力值不能反映真實(shí)潤(rùn)濕性能的原因，因?yàn)殪o態(tài)表面張力不能表征表面活性劑在短時(shí)間內(nèi)的移動(dòng)速度。

汽車修補(bǔ)漆應(yīng)用

涂料行業(yè)普遍存在收縮、縮孔等潤(rùn)濕不良的問(wèn)題。造成縮孔的主要原因之一：當(dāng)干燥時(shí)間比較短，動(dòng)態(tài)表面張力偏大時(shí)會(huì)造成潤(rùn)濕不良、縮孔。

測(cè)試儀器：德國(guó)析塔動(dòng)態(tài)表面張力儀

型號(hào)：析塔SITA pro line t15

測(cè)試溫度：27.1～28.4 ℃

樣品表面干燥時(shí)間：約10分鐘

測(cè)試目的：測(cè)試不同汽車修補(bǔ)漆成品的動(dòng)態(tài)表面張力，根據(jù)量化數(shù)據(jù)判斷縮孔問(wèn)題是否與配方的動(dòng)態(tài)表面張力相關(guān)。是否能利用動(dòng)態(tài)表面張力數(shù)據(jù)預(yù)計(jì)判配方問(wèn)題。或作為產(chǎn)品出廠質(zhì)檢項(xiàng)目，減少風(fēng)險(xiǎn)。

樣品A為藍(lán)色曲線，在實(shí)際使用中出現(xiàn)縮孔，數(shù)據(jù)顯示其動(dòng)態(tài)表面張力較高。

樣品B為紅色曲線，在實(shí)際使用中沒(méi)有縮孔，數(shù)據(jù)顯示其動(dòng)態(tài)表面張力較低。

結(jié)論：樣品A的縮孔問(wèn)題是由動(dòng)態(tài)表面張力過(guò)高造成，可使用助劑降低其動(dòng)態(tài)表面張力。且樣品A靜態(tài)表面張力低于樣品B靜態(tài)表面張力，在實(shí)際使用中卻是樣品A出現(xiàn)縮孔，此為靜態(tài)表面張力不準(zhǔn)確的一個(gè)主要原因。

翁開爾是德國(guó)析塔SITA中國(guó)總代理，如需了解各種關(guān)于析塔表面張力儀信息以及應(yīng)用，歡迎咨詢。