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接觸角測量儀和表面張力儀的研究歷史

來源:王輝 瀏覽 656 次 發(fa)布(bu)時間:2022-11-22

業(ye)內一(yi)直(zhi)有(you)公司爭論(lun)接(jie)觸角(jiao)測(ce)量儀(yi)(yi)、表(biao)面張力(li)儀(yi)(yi)或(huo)(huo)全自(zi)動(dong)(dong)接(jie)觸角(jiao)測(ce)量儀(yi)(yi)和表(biao)面張力(li)儀(yi)(yi)的(de)儀(yi)(yi)器(qi)的(de)生產者(zhe)是誰,或(huo)(huo)者(zhe)引(yin)入某算法的(de)是誰,如(ru)(ru)Young-Laplace方程(cheng)擬合算法。姑(gu)且不(bu)論(lun)這種爭論(lun)的(de)實質意義為何,僅(jin)就接(jie)觸角(jiao)測(ce)量儀(yi)(yi)(全自(zi)動(dong)(dong)或(huo)(huo)手動(dong)(dong))、表(biao)面張力(li)儀(yi)(yi)(全自(zi)動(dong)(dong)或(huo)(huo)手動(dong)(dong))的(de)研制出來(lai),我(wo)們在此提供(gong)如(ru)(ru)下文獻(xian)資料或(huo)(huo)事實的(de)情況,以供(gong)業(ye)者(zhe)或(huo)(huo)需(xu)要了解相關(guan)信息的(de)人員作為參考。如(ru)(ru)有(you)不(bu)當之(zhi)處,我(wo)們歡(huan)迎(ying)來(lai)郵件或(huo)(huo)來(lai)電與(yu)我(wo)們一(yi)起探(tan)討。

1、接觸(chu)角測(ce)量(liang)儀:目(mu)前(qian)比較可靠的應該是1946年Bigelow et al.發表面文章,提出(chu)一個(ge)比較簡單方(fang)便的接觸(chu)角測(ce)量(liang)儀的方(fang)案。他們稱為"escope-goniometer"。參考文獻為W.C.Bigelow,D.L.Pickett.W.A.J.Zisman,Coll.Sci,1,513(1946)。因而,接觸(chu)角測(ce)量(liang)儀的*家生(sheng)產的公司是顯然的,并非如某些公司所(suo)言。

而(er)全自動接(jie)觸角儀的(de)說(shuo)法應(ying)該是基于圖像拍(pai)攝和計算機技術(shu)而(er)言(yan)的(de)。全自動接(jie)觸角測(ce)量儀的(de)意義在于取消了人為判斷(duan),可以把(ba)圖片保存下來,可以使用(yong)顯微鏡和計算機輔助測(ce)量,提高測(ce)值的(de)精度(du)。但(dan)是,接(jie)觸角測(ce)量儀如果僅就圓(yuan)擬(ni)合、橢圓(yuan)擬(ni)合因沒有(you)專門文(wen)獻或證(zheng)明,且測(ce)試(shi)效果一直以來并不(bu)可靠,因而(er),一直沒有(you)被專業人士(shi)所認(ren)可。

直到1983年,Neumann教授正式(shi)提出(chu)了(le)ADSA技(ji)(ji)術(shu),接(jie)觸(chu)(chu)角測量以及光學(xue)法(fa)界(jie)面張力(li)測試才真正提升(sheng)到專業級水(shui)平并被廣泛接(jie)受。(參考(kao)文(wen)獻(xian):Rotenberg,Y.,Boruvka,L.and Neumann,A.W.Determination of Surface Tension and Contact Angle from the Shapes of Axisymmetric Fluid Interfaces J.Colloid Interface Sci.93 p.169-183)。據Neumann教授團隊文(wen)獻(xian),有用ADSA-P算法(fa),接(jie)觸(chu)(chu)角值的(de)測值精度(du)(du)可達0.4度(du)(du)。且由(you)于(yu)其結合了(le)界(jie)面化學(xue)原(yuan)理,因而數據可靠性(xing)遠高于(yu)圓擬(ni)(ni)合或(huo)橢圓擬(ni)(ni)合技(ji)(ji)術(shu),更(geng)不用說(shuo)是簡單(dan)的(de)一次(ci)方程切線或(huo)二次(ci)、復合曲(qu)線擬(ni)(ni)合技(ji)(ji)術(shu)。目(mu)前(qian)公開發表的(de)文(wen)獻(xian)均(jun)以參考(kao)ADSA-P算法(fa)作(zuo)為其介紹接(jie)觸(chu)(chu)角測試或(huo)光學(xue)法(fa)表面張力(li)測試的(de)標準文(wen)獻(xian)。

ADSA算(suan)法(fa)(fa)于1987年正式公開發表(Spelt,J.K.,Rotenberg,Y.,Absolom,D.R.and Neumann,A.W.Sessile Drop Contact Angle Measurements Using Axisymmetric Drop Shape Analysis(ADSA)Colloids Surfaces 24 p.127-137,1987),1997年Neumann團(tuan)隊對ADSA算(suan)法(fa)(fa)進行了全面(mian)總(zong)結(jie)并形成理論(lun)體系(O.I.del R?o and A.W.Neumann,Axisymmetric Drop Shape Analysis:Computational Methods for the Measurement of Interfacial Properties from the Shape and Dimensions of Pendant and Sessile Drops,JOURNAL OF COLLOID AND INTERFACE SCIENCE 196,P136–147,1997)。

 美國科諾工業有限公司的ADSA-RealDrop算法(fa)是(shi)在(zai)ADSA-NA的基礎上的更(geng)新,其核心技術為(wei)邦德系(xi)(xi)數(Bond Number)的擬(ni)合采用了聯立頂點曲(qu)率(lv)半徑和表面張(zhang)力值建立關系(xi)(xi)式(shi),并二次(ci)擬(ni)合Young-Laplace方程的技術。相較(jiao)于(yu)(yu)ADSA-P更(geng)接近于(yu)(yu)實際液(ye)滴輪廓形狀,因而被稱(cheng)為(wei)RealDrop技術,可也稱(cheng)為(wei)非軸對影像分析法(fa)。

 而其他廠家的(de)(de)(de)基于(yu)影像(xiang)法的(de)(de)(de)Young-Laplace方程(cheng)擬(ni)合技術的(de)(de)(de)時間分為(wei)如下:

(1)1996年,Song Bi Hai團(tuan)隊的Young-Laplace方程擬合法(BIHAI SONG AND JU¨RGEN SPRINGER,Determination of Interfacial Tension from the Profile of a Pendant Drop Using Computer-Aided Image Processing,JOURNAL OF COLLOID AND INTERFACE SCIENCE 184,P64–76,1996)。

(2)1991年,Hansen團隊的Young-Laplace方程擬合法(F.K.HANSEN AND G.RODSRUD,Surface Tension by Pendant Drop I.A Fast Standard Instrument Using Computer Image Analysis,Journal of Colloid and Interface Science,Vol.141,No.I,p1-9,January 1991)

(3)1988年,J.W.Jennings團隊的(de)Young-Laplace方程擬(ni)合法(fa)(J.W.Jennings,N.R.Pallas,an Efficient Method for the Determination of Interfacial Tensions from Drop Profiles,Langmuir.Vol.4,No.4,1988,P959-967)

因而,視頻光學接(jie)觸角(jiao)測量(liang)儀(yi)*臺(tai)儀(yi)器或(huo)*臺(tai)自動(dong)儀(yi)器之爭并沒有(you)實質意義(yi)。如(ru)果*臺(tai)研(yan)制出來后一直不(bu)創新(xin),不(bu)能滿足用戶對于(yu)更高的(de)測試(shi)需求,更多的(de)功能需求,研(yan)制出來的(de)時(shi)間再(zai)久,如(ru)Zisman的(de)接(jie)觸角(jiao)儀(yi),你現(xian)在拿來測試(shi)接(jie)觸角(jiao)值,那(nei)有(you)何意義(yi)?就算(suan)是(shi)自動(dong)的(de)接(jie)觸角(jiao)測量(liang)儀(yi),在測試(shi)方(fang)面仍停留在簡(jian)單(dan)的(de)圓擬合或(huo)橢圓擬合階段,不(bu)能提升Young-Laplace方(fang)程擬合技術(shu)的(de)應(ying)用范圍和測試(shi)精度,就算(suan)是(shi)*臺(tai)真(zhen)是(shi)你研(yan)制出來的(de),那(nei)又(you)說明什么?關(guan)鍵在于(yu)算(suan)法是(shi)否不(bu)斷的(de)更新(xin),滿足不(bu)斷提高的(de)測試(shi)需求。如(ru)果技術(shu)已經升級至3D接(jie)觸角(jiao)測試(shi)了,還在談(tan)2D時(shi)代的(de)接(jie)觸角(jiao)測試(shi)儀(yi)哪家(jia)公司研(yan)制的(de),其(qi)意義(yi)有(you)點本末倒(dao)置了。

當然,如(ru)果出于考據的(de)(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)(de),想(xiang)真正了解一(yi)下接(jie)觸(chu)角(jiao)測量儀(yi)的(de)(de)(de)(de)歷(li)史,這(zhe)樣的(de)(de)(de)(de)爭論還是有某種意義的(de)(de)(de)(de)。而目前看來(lai),zui為有據可(ke)察的(de)(de)(de)(de)是,*臺光學法(fa)接(jie)觸(chu)角(jiao)測量儀(yi)應該(gai)是1943年Zisman團隊提(ti)(ti)(ti)出來(lai)的(de)(de)(de)(de),且Zisman大師(shi)也是臨(lin)界(jie)表面張(zhang)力法(fa)表面自由(you)能(neng)的(de)(de)(de)(de)提(ti)(ti)(ti)出者(zhe)。zui為被專(zhuan)業人士所接(jie)受的(de)(de)(de)(de)接(jie)觸(chu)角(jiao)儀(yi)技術應該(gai)是A.W.Neumann教(jiao)授的(de)(de)(de)(de)ADSA算法(fa),提(ti)(ti)(ti)出時間為1983年。他(ta)們也研制出來(lai)了采用ADSA算法(fa)全自動的(de)(de)(de)(de)接(jie)觸(chu)角(jiao)儀(yi)。

2、關(guan)于表面張力儀:

(1)鉑(bo)金(jin)環法:1919年3月31日,P.LECOMTE DU Nouy教授發表的(de)一篇文章,發布了一臺(tai)表面張力測試儀。參考文獻(xian):A new apparatus for measuring surface tension,by P.Lecomte Du Nouy from the laboralories of the rochefeller institute for medical research,the journal of general physiology,page521-524,1919,圖(tu)片如下所示:

鉑(bo)金環(huan)法表面張力(li)儀DuNouyRingmethod surface tensiometer

因(yin)而(er),按研(yan)制(zhi)出來表面張力(li)儀(yi),如(ru)果說是(shi)DuNouy Ring法(fa)(鉑金環(huan)法(fa))的(de)(de)(de)話,應該(gai)是(shi)1919年3月。這是(shi)有文獻(xian)記載的(de)(de)(de)。當然通(tong)過這款表面張力(li)儀(yi)的(de)(de)(de)圖(tu)片可(ke)以(yi)(yi)看(kan)出,他是(shi)采用(yong)了扭力(li)絲(si)作(zuo)為傳感器,且是(shi)手動(dong)升(sheng)降的(de)(de)(de)。同(tong)樣的(de)(de)(de),自(zi)(zi)動(dong)的(de)(de)(de)表面張力(li)儀(yi)的(de)(de)(de)定(ding)義(yi)如(ru)果按自(zi)(zi)動(dong)升(sheng)降來講,*臺(tai)應該(gai)的(de)(de)(de)Fisher公司的(de)(de)(de)model 21型(xing)表面張力(li)儀(yi)。其特殊功能為,可(ke)以(yi)(yi)自(zi)(zi)動(dong)控制(zhi)樣品臺(tai)升(sheng)降的(de)(de)(de)停止動(dong)作(zuo),一旦鉑金環(huan)脫離液體(ti)彈(dan)出后,樣品臺(tai)即停止運(yun)行。此時讀(du)取表面張力(li)值(zhi)即可(ke)。

(2)鉑金板(ban)法(Wilhelmy plate method):1863年4月24日(ri),Von Ludwig Wilhelmy以(yi)德文發表了(le)一(yi)(yi)篇文獻(xian)《BAND CXIX.I.Ueber die Ahhangigkeit der Capillaritats-Con-stanten des Alkohols von Substunt und Gestult.des berietzlen festen Kiirpers》*(Annules de Ch.d Phys.T.63,p.129.2)Conrprcsrrnil.T.14,p.1022.Poggeodorfl’s Annal.Bd.CXlX.page180-217。提(ti)醒注(zhu)意的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)是(shi),因原文為(wei)(wei)德文,只(zhi)能(neng)考貝出(chu)來(lai),可(ke)能(neng)有出(chu)入(ru))。其原文標(biao)題為(wei)(wei)《關于酒精(jing)毛細(xi)常數對被濕(shi)潤固體(ti)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)物質和形(xing)(xing)狀(zhuang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)依賴性》。文獻(xian)中(zhong)(zhong)如下幾個部分的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)內容是(shi)值得我(wo)們關注(zhu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de):*,他(ta)提(ti)出(chu)了(le)一(yi)(yi)個用于測(ce)定毛細(xi)式(shi)上(shang)(shang)升的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)液體(ti)重(zhong)量的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)方(fang)法;第(di)二,Wilhelmy從不(bu)同(tong)物質組成(cheng)(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)板(ban)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)試驗開始,研(yan)究(jiu)(jiu)水(shui)和酒精(jing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)爬升高度(du);第(di)三,其采(cai)用的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)測(ce)試方(fang)法為(wei)(wei)“在(zai)(zai)這(zhe)些(xie)觀察中(zhong)(zhong)一(yi)(yi)般(ban)這(zhe)樣(yang)(yang)進(jin)行,即首(shou)先在(zai)(zai)空氣(qi)中(zhong)(zhong)確定板(ban)重(zhong)量,連同(tong)放(fang)置在(zai)(zai)分刻(ke)度(du)線(xian)1上(shang)(shang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)夾(jia)子(zi),然(ran)后在(zai)(zai)玻璃(li)池中(zhong)(zhong)倒入(ru)酒精(jing)并(bing)且通過上(shang)(shang)述在(zai)(zai)架(jia)子(zi)端(duan)旁(pang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)輪子(zi)掛上(shang)(shang)板(ban),該架(jia)子(zi)放(fang)置在(zai)(zai)秤(cheng)盤(pan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)底部,這(zhe)樣(yang)(yang)調整成(cheng)(cheng)(cheng)兩個指(zhi)針的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)外部針尖(jian)剛好與(yu)其鏡像重(zhong)疊。然(ran)后秤(cheng)被設(she)(she)置成(cheng)(cheng)(cheng)等重(zhong),記錄(lu)所(suo)(suo)需(xu)要的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)重(zhong)量,接著拉出(chu)板(ban),指(zhi)針調節(jie)成(cheng)(cheng)(cheng)刻(ke)度(du)線(xian)2,倒入(ru)酒精(jing),以(yi)便一(yi)(yi)直更(geng)新表面(mian),并(bing)且將板(ban)改(gai)掛到(dao)所(suo)(suo)要求的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)、以(yi)所(suo)(suo)述方(fang)式(shi)可(ke)識別的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)指(zhi)數針尖(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)為(wei)(wei)止上(shang)(shang)。接著在(zai)(zai)刻(ke)度(du)線(xian)3和4情況下也以(yi)同(tong)樣(yang)(yang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)方(fang)式(shi)進(jin)行。”第(di)四(si),他(ta)研(yan)究(jiu)(jiu)了(le)液體(ti)和固體(ti)之間的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)接觸線(xian)曲率的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)影響。Wilhelmy在(zai)(zai)文章中(zhong)(zhong)采(cai)用了(le)圓柱體(ti)和片狀(zhuang)樣(yang)(yang)品,采(cai)用了(le)玻璃(li)、黃(huang)銅、鋅(xin)和銀(yin)四(si)種(zhong)材料。從文獻(xian)來(lai)看,其僅(jin)僅(jin)提(ti)供了(le)一(yi)(yi)種(zhong)方(fang)法,但未就形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)真(zhen)正的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)鉑金板(ban)法的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)表面(mian)張力儀(yi)形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)zui終(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)儀(yi)器(qi)或設(she)(she)計圖。

1964年,A.W.Neumann教(jiao)授(shou)的(de)(de)博士發表了論文《用于(yu)確定界面(mian)能量參數的(de)(de)測量方法:*部(bu)分:接(jie)觸角(jiao)》該文以(yi)德文發表,原標(biao)題(ti)為über die Me?methodik zur Bestimmung grenzfl?chenenergetischer Gr??en(Zeitschrift für Physikalische Chemie Neue Folge,Bd.41,S.339-352)。該文章提(ti)出了液面(mian)以(yi)上Young-Laplace曲面(mian)的(de)(de)問題(ti)以(yi)及(ji)接(jie)觸角(jiao)計(ji)算(suan)的(de)(de)辦法。同時,Neumann教(jiao)授(shou)提(ti)出了一個(ge)設計(ji)圖(tu)并研制了相關儀器(qi)。因而,真正意義上的(de)(de)*臺白(bai)金板法(Wilhelmy plate)表面(mian)張力儀從文獻(xian)考據而言(yan)應該是Neumann教(jiao)授(shou)的(de)(de)這(zhe)個(ge)文章,時間為1964年。

至于,后(hou)續的(de)(de)(de)表面張力(li)儀(yi)采用不(bu)同的(de)(de)(de)傳(chuan)感器(扭力(li)絲、分析天平、應變電阻稱重傳(chuan)感器等等),能夠被軟件(jian)讀取等等功(gong)能創新,于實際的(de)(de)(de)界(jie)面化學的(de)(de)(de)意義(yi)并不(bu)是革命性(xing)的(de)(de)(de),因(yin)而(er)(er)(er),爭議的(de)(de)(de)意義(yi)并不(bu)很大。而(er)(er)(er)無論DuNouy Ring法(fa)還是Wilhelmy plate法(fa)也在因(yin)傳(chuan)感器技術(shu)和算法(fa)的(de)(de)(de)更新而(er)(er)(er)不(bu)斷(duan)的(de)(de)(de)提升(sheng)測(ce)值精度。

總(zong)之(zhi),從考(kao)據來說,無論是(shi)表面(mian)張力(li)(li)儀(yi)(yi)還是(shi)接(jie)觸角(jiao)(jiao)儀(yi)(yi),其歷(li)史(shi)(shi)與1860年之(zhi)前肯定沒有關系。除非為炫耀(yao)歷(li)史(shi)(shi)長久,甚至把久遠的歷(li)史(shi)(shi)都拿出(chu)來,*臺表面(mian)張力(li)(li)儀(yi)(yi)或接(jie)觸角(jiao)(jiao)儀(yi)(yi)之(zhi)爭的實質意義并不(bu)大。除非是(shi)革命性的技(ji)術升級或取得(de)成果,否(fou)則,即使爭到*臺又能說明什么?在總(zong)結經驗(yan)的基礎上,全面(mian)更(geng)新公司核心知識結構,不(bu)斷創新,這才任(ren)何學科(ke)的立命之(zhi)本。