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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 811 次 發(fā)布時間:2022-11-22

業(yè)內(nèi)一直有公司爭論接觸角測量儀、表面張力儀或全自動接觸角測量儀和表面張力儀的儀器的生產(chǎn)者是誰,或者引入某算法的是誰,如Young-Laplace方程擬合算法。姑且不論這種爭論的實質(zhì)意義為何,僅就接觸角測量儀(全自動或手動)、表面張力儀(全自動或手動)的研制出來,我們在此提供如下文獻資料或事實的情況,以供業(yè)者或需要了解相關(guān)信息的人員作為參考。如有不當之處,我們歡迎來郵件或來電與我們一起探討。

1、接觸角測量儀:目前比較可靠的應(yīng)該是1946年Bigelow et al.發(fā)表面文章,提出一個比較簡單方便的接觸角測量儀的方案。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,接觸角測量儀的*家生產(chǎn)的公司是顯然的,并非如某些公司所言。

而全自動接觸角儀的說法應(yīng)該是基于圖像拍攝和計算機技術(shù)而言的。全自動接觸角測量儀的意義在于取消了人為判斷,可以把圖片保存下來,可以使用顯微鏡和計算機輔助測量,提高測值的精度。但是,接觸角測量儀如果僅就圓擬合、橢圓擬合因沒有專門文獻或證明,且測試效果一直以來并不可靠,因而,一直沒有被專業(yè)人士所認可。

直到1983年,Neumann教授正式提出了ADSA技術(shù),接觸角測量以及光學(xué)法界面張力測試才真正提升到專業(yè)級水平并被廣泛接受。(參考文獻: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(jù)Neumann教授團隊文獻,有用ADSA-P算法,接觸角值的測值精度可達0.4度。且由于其結(jié)合了界面化學(xué)原理,因而數(shù)據(jù)可靠性遠高于圓擬合或橢圓擬合技術(shù),更不用說是簡單的一次方程切線或二次、復(fù)合曲線擬合技術(shù)。目前公開發(fā)表的文獻均以參考ADSA-P算法作為其介紹接觸角測試或光學(xué)法表面張力測試的標準文獻。

ADSA算法于1987年正式公開發(fā)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團隊對ADSA算法進行了全面總結(jié)并形成理論體系(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(yè)有限公司的ADSA-RealDrop算法是在ADSA-NA的基礎(chǔ)上的更新,其核心技術(shù)為邦德系數(shù)(Bond Number)的擬合采用了聯(lián)立頂點曲率半徑和表面張力值建立關(guān)系式,并二次擬合Young-Laplace方程的技術(shù)。相較于ADSA-P更接近于實際液滴輪廓形狀,因而被稱為RealDrop技術(shù),可也稱為非軸對影像分析法。

而其他廠家的基于影像法的Young-Laplace方程擬合技術(shù)的時間分為如下:

(1)1996年,Song Bi Hai團隊的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Young-Laplace方程擬合法(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(xué)接觸角測量儀*臺儀器或*臺自動儀器之爭并沒有實質(zhì)意義。如果*臺研制出來后一直不創(chuàng)新,不能滿足用戶對于更高的測試需求,更多的功能需求,研制出來的時間再久,如Zisman的接觸角儀,你現(xiàn)在拿來測試接觸角值,那有何意義?就算是自動的接觸角測量儀,在測試方面仍停留在簡單的圓擬合或橢圓擬合階段,不能提升Young-Laplace方程擬合技術(shù)的應(yīng)用范圍和測試精度,就算是*臺真是你研制出來的,那又說明什么?關(guān)鍵在于算法是否不斷的更新,滿足不斷提高的測試需求。如果技術(shù)已經(jīng)升級至3D接觸角測試了,還在談2D時代的接觸角測試儀哪家公司研制的,其意義有點本末倒置了。

當然,如果出于考據(jù)的目的,想真正了解一下接觸角測量儀的歷史,這樣的爭論還是有某種意義的。而目前看來,zui為有據(jù)可察的是,*臺光學(xué)法接觸角測量儀應(yīng)該是1943年Zisman團隊提出來的,且Zisman大師也是臨界表面張力法表面自由能的提出者。zui為被專業(yè)人士所接受的接觸角儀技術(shù)應(yīng)該是A.W.Neumann教授的ADSA算法,提出時間為1983年。他們也研制出來了采用ADSA算法全自動的接觸角儀。

2、關(guān)于表面張力儀:

(1)鉑金環(huán)法:1919年3月31日,P.LECOMTE DU Nouy教授發(fā)表的一篇文章,發(fā)布了一臺表面張力測試儀。參考文獻: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,圖片如下所示:

鉑金環(huán)法表面張力儀DuNouyRingmethod surface tensiometer

因而,按研制出來表面張力儀,如果說是DuNouy Ring法(鉑金環(huán)法)的話,應(yīng)該是1919年3月。這是有文獻記載的。當然通過這款表面張力儀的圖片可以看出,他是采用了扭力絲作為傳感器,且是手動升降的。同樣的,自動的表面張力儀的定義如果按自動升降來講,*臺應(yīng)該的Fisher公司的model 21型表面張力儀。其特殊功能為,可以自動控制樣品臺升降的停止動作,一旦鉑金環(huán)脫離液體彈出后,樣品臺即停止運行。此時讀取表面張力值即可。

(2)鉑金板法(Wilhelmy plate method):1863年4月24日,Von Ludwig Wilhelmy以德文發(fā)表了一篇文獻《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。提醒注意的是,因原文為德文,只能考貝出來,可能有出入)。其原文標題為《關(guān)于酒精毛細常數(shù)對被濕潤固體的物質(zhì)和形狀的依賴性》。文獻中如下幾個部分的內(nèi)容是值得我們關(guān)注的:*,他提出了一個用于測定毛細式上升的液體重量的方法;第二,Wilhelmy從不同物質(zhì)組成的板的試驗開始,研究水和酒精的爬升高度;第三,其采用的測試方法為“在這些觀察中一般這樣進行,即首先在空氣中確定板重量,連同放置在分刻度線1上的夾子,然后在玻璃池中倒入酒精并且通過上述在架子端旁的輪子掛上板,該架子放置在秤盤的底部,這樣調(diào)整成兩個指針的外部針尖剛好與其鏡像重疊。然后秤被設(shè)置成等重,記錄所需要的重量,接著拉出板,指針調(diào)節(jié)成刻度線2,倒入酒精,以便一直更新表面,并且將板改掛到所要求的、以所述方式可識別的指數(shù)針尖的為止上。接著在刻度線3和4情況下也以同樣的方式進行。”第四,他研究了液體和固體之間的接觸線曲率的影響。Wilhelmy在文章中采用了圓柱體和片狀樣品,采用了玻璃、黃銅、鋅和銀四種材料。從文獻來看,其僅僅提供了一種方法,但未就形成真正的鉑金板法的表面張力儀形成zui終的儀器或設(shè)計圖。

1964年,A.W.Neumann教授的博士發(fā)表了論文《用于確定界面能量參數(shù)的測量方法:*部分:接觸角》該文以德文發(fā)表,原標題為über die Me?methodik zur Bestimmung grenzfl?chenenergetischer Gr??en(Zeitschrift für Physikalische Chemie Neue Folge,Bd.41,S.339-352)。該文章提出了液面以上Young-Laplace曲面的問題以及接觸角計算的辦法。同時,Neumann教授提出了一個設(shè)計圖并研制了相關(guān)儀器。因而,真正意義上的*臺白金板法(Wilhelmy plate)表面張力儀從文獻考據(jù)而言應(yīng)該是Neumann教授的這個文章,時間為1964年。

至于,后續(xù)的表面張力儀采用不同的傳感器(扭力絲、分析天平、應(yīng)變電阻稱重傳感器等等),能夠被軟件讀取等等功能創(chuàng)新,于實際的界面化學(xué)的意義并不是革命性的,因而,爭議的意義并不很大。而無論DuNouy Ring法還是Wilhelmy plate法也在因傳感器技術(shù)和算法的更新而不斷的提升測值精度。

總之,從考據(jù)來說,無論是表面張力儀還是接觸角儀,其歷史與1860年之前肯定沒有關(guān)系。除非為炫耀歷史長久,甚至把久遠的歷史都拿出來,*臺表面張力儀或接觸角儀之爭的實質(zhì)意義并不大。除非是革命性的技術(shù)升級或取得成果,否則,即使爭到*臺又能說明什么?在總結(jié)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,全面更新公司核心知識結(jié)構(gòu),不斷創(chuàng)新,這才任何學(xué)科的立命之本。