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非牛頓體物質(zhì)的表面張力測試-固體表面自由能測試不同方法測值分析及其適用性略談

點擊次數(shù):4205    發(fā)布時間:2022-09-26 00:00:00

 表面張力測值通常的方法包括了鉑金板法、鉑金環(huán)法、懸滴法、停滴法等等很多方法。其中以前三種為常見。但談及表面張力儀作為商業(yè)化的成熟儀器,目前為常用、精度的仍舊是鉑金板法。表面張力儀的測值技術(shù)以來由于人們對界面及其相應(yīng)的界面張力的認(rèn)識水平,以來僅僅停留在單層表面的分析上。以至于有一段時間內(nèi),人們把懸滴法、停滴法以及鉑金板法等的測值誤差的責(zé)任全推給了懸滴法和停滴法測值不準(zhǔn)上,卻忽視了表面及界面張力的另一層深層現(xiàn)象,即表面張力的三明治效應(yīng)。從測值及應(yīng)用技術(shù)來講,表面張力三明治效應(yīng)是目前界面化學(xué)領(lǐng)域為前沿的技術(shù)研究領(lǐng)域。而從測試方法來看,影響分析法ADSA-RealDrop算法以其高靈敏度、分層測試功能而占據(jù)明顯的優(yōu)勢。

但是,無論哪種方法,對于如牙膏、膠、顆粒物、特殊膠體等非牛頓體物質(zhì)的表面張力測值,卻是無能為力的。這是由于ADSA-RealDrop算法或低版本的Young-Laplace方程擬合法均以輪廓曲線符合Young-Laplace方程為終依據(jù),但是,非牛頓體根本無法形成有效的Young-Laplace方程圖形。雖然,ADSA-RealDrop算法對于液滴輪廓沒有任何要求,哪怕部分符合Young-Laplace方程,也能夠擬合得到相應(yīng)參考的表面張力值,但是,這個測值結(jié)果的意義何在?測值是否真正具有參考價值和應(yīng)用價值?顯然,這樣的值是無法信服的。

上海梭倫在美國科諾團(tuán)隊的指導(dǎo)下,曾于2012年左右完成過一次膠水的表面張力測值,當(dāng)初的應(yīng)用是由于膠水粘度過高(超過100,000CPs),在無法測值時,采用的二碘甲烷測值接觸角值,再采用Equation of state算法計算得到相應(yīng)的固體表面張力值并將這個值作為終評估該膠水的表面張力表征值。這個方法顯然具有參考意義。

日前, 上海梭倫團(tuán)隊完成了一次新的樣品測值,同樣為非牛頓體牙膏狀物質(zhì)。為了測得該物質(zhì)的表面張力值,我們同樣采用了二碘甲烷測試接觸角的辦法,并且同時測試了蒸餾水對該樣品的接觸角值,進(jìn)而評估其分散力和極性力組份。

測試的接觸角圖像如下所示:

二碘甲烷接觸角測試結(jié)果圖

二碘甲烷接觸角測試圖像

蒸餾水測試接觸角值圖片

蒸餾水接觸角測試圖像

如于如上圖像測得的接觸角值,采用Owens-Wendt-Rabel- Kaelble表面自由能估算模型時,計算結(jié)果如下所示:

Surface Free Energy:53.110mN/m

Dispersive:42.409mN/m

Polar:10.701mN/m

二碘甲烷探針液體數(shù)據(jù)如下:50.800000 49.500000(色散力) 1.300000(極性力)KINO庫 317

蒸餾水探針液體數(shù)據(jù)如下:72.300000 18.700000 53.600000 KINO庫748

對于同樣的圖像,采用A.W.Neumann教授的Equation of state算法,計算結(jié)果分別如下:
 1、測試二碘甲烷時:測值表面張力(表面自由能值)為48.40mN/m(接觸角值18.07,表面張力值:50.8mN/m )
 2、蒸餾水測值時,測值表面張力(表面自由能值)為46.42mN/m(接觸角值63.799,表面張力值:73.93mN/m,溫度12攝氏度)
 
從如上數(shù)據(jù)來看,兩個不同的液體,A.W.Neumann教授的Equation of state算法估算出來的表面自由能誤差值為1.98mN/m。而OWRK二液法算法時與蒸餾水的測值結(jié)果的誤差值為4.7mN/m,與Equation of state算法的數(shù)據(jù)誤差較大。現(xiàn)在的問題在于:表面自由能數(shù)據(jù)以哪個為準(zhǔn)?
表面自由能是以接觸角測值為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),采用不同的探針液體并采用該探針液體的表面張力值及其分量值(如色散力、極性力、酸基、堿基、氫鍵力等),并應(yīng)用不同的表面自由能估算模型,計算相應(yīng)的表面自由能值。表面自由能模型目前應(yīng)用的有12種數(shù)學(xué)模型,其中以O(shè)WRK法和Equation of state、Acid-base算法為常用。從如上基礎(chǔ)概念分析可以看出,各個模型之間的理論依據(jù)不同,計算的結(jié)果可能會不同;應(yīng)用的探針液體不同,測值結(jié)果可能存在差異;探針液體的分量是否是決定終結(jié)果的關(guān)鍵。
我們認(rèn)為:
1、Equation of state算法測值的數(shù)據(jù)更為可信、更為可靠,具有參考意義。
從測量技術(shù)而言,表面張力值是一個易測得的值,僅僅依據(jù)一個表面張力值來分析固體表面自由能的方式是方便、數(shù)據(jù)的可控性的一種方式。僅僅一種表面張力的估算模型,無需知道相應(yīng)的控針液體的分量值,進(jìn)而,探針液體的分量值的誤差不會導(dǎo)致估算表面自由能誤差出現(xiàn)。從如上估算所得的表面自由能值來看,兩種不同探針液體估算得出的表面自由能值穩(wěn)定性非常好,可以說明Equation of state算法的可靠性。
2、在表征固體的表面自由能的同時,可以采用二碘甲烷接觸角值和蒸餾水接觸角值作為補充數(shù)據(jù),再結(jié)合固體的表面自由能值作為固體表面張力或表面自由能的結(jié)果。這樣的方式更為科學(xué)。
從測值結(jié)果來看,二碘甲烷與水兩種油性和水性的液體測試的接觸角值明顯不同,二碘甲烷測試得到的接觸角值為18.07度,明顯說明該樣品偏向親油;而蒸餾水的接觸角值測值結(jié)果為63.80度,說明該樣品不親水;因而,在評估該樣品的親油親水性哪個更好時,相應(yīng)液體的接觸角值可以說明一切。
3、OWRK或Wu法等算法,從實際應(yīng)用來講,其局限性主要在于:
(1)需要多種液體的分量值,這些分量值的取得本身帶來的誤差相對而言比較大;
(2)數(shù)據(jù)的可比性一般,無法讓人信服數(shù)據(jù)的可靠性;
 
4、合理的采用光學(xué)接觸角測量儀評估固體表面自由能的方式:
(1)測試ADSA-RealDrop算法所得的基于化學(xué)多樣性、表面粗糙度修正后的本征接觸角值;
(2)采用本征接觸角值作為計算固體表面自由能的基礎(chǔ)數(shù)據(jù);
(3)測試接觸角值之前,測試相應(yīng)控針液體的表面張力值,當(dāng)達(dá)到文獻(xiàn)值(如水在20攝氏度時為72.75mN/m)時,開始測試接觸角值;
(4)表征固體表面自由能,采用Equation of state算法,并將二碘甲烷接觸角和蒸餾水接觸角兩個數(shù)據(jù)作為補充數(shù)據(jù)。
 
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