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如何确保和检测旋转滴界面张力仪测值的准确性-测量算法和校准技术是关键
阿莎算法是一种其于Young-Laplace方程,综合了表面张力、界面张力、重力(浮力)、接触角等各项参数,在非轴对称(左、右向)假设条件下实现测量界面张力、表面张力、接触角、密度、体积等物理化学性质的最科学、可靠的测试方法。阿莎是英文ADSA的音译。ADSA为Axisymmetric Drop Shape Analysis的简写。英文中的Axisymmetric是指Young-Laplace方程离散处理过程的3D时空中视角前后向侧与水平向侧进行变换时轴对称变换,而非左、右接触角测量视角条件下的轴对称。阿莎算法自1983年提出后,历经4代更新,实现了左、右轴对称至非轴对称的变化升级。
 
A.W.Neumann加拿大多伦多大学名誉教授,其团队最早提出ADSA算法并应用于界面张力、表面张力和接触角的测量。A.W.Neumann作为界面化学测量分析、应用领域的大师,其杰出贡献在于Equation of state算法评估表面自由能、ADSA算法评估表面张力和界面张力、Line surface tension。
 

A.W.Neumann教授近照

 

Young-Laplace方程拟合技术与界面化学测量:
1、简单的测量几何尺寸的数码量角器或测量尺阶段:
(1)对于旋转滴界面张力仪而言,本阶段的特点在于采用显微镜分划尺或视频显微镜图像拍摄的方法,测量液滴的直径后,对界面张力值进行计算。计算的公式通常采用了1941年的VONNEGUT公式,参考文献Rotating Bubble Method for the Determination of Surface and Interfacial Tensions,1942.1, R. S. I. VOLUME 13)。本质上该阶段的仪器属于最简单的测量宽度这样的几何尺寸的仪器。目前中国产的界面张力仪仍旧停留在这个阶段。
(2)对于接触角测量仪而言,本阶段的特点在于采用量角的方法测量角度值,初步表征角度值。采用的算法通常为圆拟合、椭圆拟合或切线法。这些方法在分析接触角值时,与表面张力、界面张力、重力无关。目前中国产的接触角测量仪仍停留在这个阶段。
综合而言,由于技术发展阶段所限,本阶段的仪器技术水平比较低,数据的精度与可靠性不高,作为演示可以,但作为科学数据使用与评估界面化学性质则缺乏理论依据与科学性,数据可靠性不高。
2、入门级的界面张力仪或接触角测量仪
本阶段的旋转滴界面张力仪采用了基于Select Plane算法的Young-Laplace方程拟合算法或ADSA-P算法,在液滴轮廓分析时通常基于轴对称分析,对测试条件、液滴图像有所要求,测量稳定性一般。这种稳定性是指参于理想的图片(轴对称、符合标定Select Plane拟合参数时的图片)而言,测值结果可以,但是对于真正测量中出现的接触角图片左、右不对称(由于样品台水平度调整问题、本身材料的化学多样性表面粗糙度问题等等)、界面张力液滴轮廓受振动和粘力作用形成的非轴对称性,等等条件,测值精度和可靠性则会迅速降低。
3、高级版本的界面张力或接触角测量仪
基于ADSA-NA,阿莎算法(ADSA—RealDrop算法)实现了接触角测量的非轴对称升级,阿莎算法(ADSA-RealDrop)算法通过分析整体轮廓左、右非轴称情况下,修正重力、表面张力、界面张力,实现了接触角测量从入门级的精度不高的接触角向高精度、数据可靠、科学的界面化学分析的进步。在界面化学测量,特别是接触角的测量领域具有里程碑式的意义。
 
阿莎算法分析接触角的图谱我们已经公布了许多视频与图片供对比。而阿莎算法的旋转滴界面张力分析图片我们公布不多,现将部分图片分享如下,供品鉴。
阿莎算法在旋转滴条件下的无因次方程组如下所示:
 
其中w为转速,R0为顶点曲率半径
 
阿莎算法
高温高压条件下污水-气界面张力阿莎算法分析图谱
 
阿莎算法
阿莎算法
 
高温高压条件下表面活性剂水溶液-原油界面张力阿莎算法拟合图谱
 
 
阿莎算法相较于数码量角器以及入门级的界面张力仪和接触角测量仪(基于Select Plane算法的Young-Laplace)方程的核心区别在于:
1、阿莎算法为整体轮廓分析,局部的轮廓的突变或拍摄噪声,无法影响到整体轮廓的变化。而Select Plane算法仅仅取几个点或几个位置截面(如Ds和De),受所选位置或面的参数影响非常大。
2、阿莎算法基于微米级红宝石球修正后计算精度可以真正达到亚像素级别,而通常旋转滴界面张力仪仅仅采用校准丝或二维锥形标样进行校准,在倾斜的条件下,校准精度基本没有,误差远高于10%。
 
 
 
由于旋转滴所用样品管是内圆柱形,由于外相液的光路形成了垂直向的折射,图像的垂直向进行了拉升、而水平向通常保持不变,因而,在测量旋转滴界面张力值时坐标体系必须进行变换,此时测得的界面张力值或接触角值才是完全准确的。同时,在高温高压条件下,密度值与常温、常压条件下完全不一样,因而,普通的算法根本无法进行相应的校准与修正,计算,因而,其测得的界面张力值的精度就可想可知了。
 
无外相液时红宝石球的成像完全没有垂直向的拉升。
 
综合如上,我们认为:
1、随着技术的进步,旋转滴界面张力仪的应用越来越广泛,技术研发进入深水期,因而,我们更要求有更高精度、更尊重科学的专业的旋转滴界面张力仪。数码测宽仪式的旋转滴已经无法满足高温高压条件下,甚至常规条件下的界面张力测量需求了。
2、接触角测量仪的应用广泛性要求我们从2D简单的表观量角进入3D接触角阶段,我们需要探究进为深层的表面张力三明治效应,接触角滞后现象,以及如何利用接触角滞后研制新材料,利用3D接触角进行品质控制。
 
   
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拥有20多项接触角测量仪和表面张力仪的专利技术。

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