一种高速、可控温的动态界面张力仪的制作方法
【技术领域】
[0001]本专利公布了一种高速、可控温的动态界面张力仪。本实用新型提出的高速、可控温的动态界面张力仪采用了压电陶瓷纳米定位平台作为主控制部件，在亚毫秒时间内形成一个新的液滴表面，动态测试新形成表面的液一气或液一液界面张力。摄像系统采用了平行光源和远心镜头，并通过高速摄像机拍摄液滴图像。本专利涉及的技术，可广泛应用于日化、农药、石油化工、表面活性剂研宄、消防、电力等各个行业领域，具有极高的推广价值。
【背景技术】
[0002]界面张力为物质的物理化学性质的重要参数之一。测试液一气或液一液动态界面张力对于非常多的实际应用非常重要。发泡、微乳、液晶、合金、多相液、农药、印刷、化妆品、采油等各种行业均需要考察动态界面张力值。而目前而言，动态界面张力测试技术还停留在动态表面张力测试的阶段。动态表面张力是指液一气之间的表面张力的动态变化，表面吸附等。而动态界面张力是指液一液甚至液一固、液一液一固的界面张力的动态变化，界面吸附现象等。对于动态表面张力的测试技术，国内外的专业书籍、文献中均有很多描述° 如 Arthur.W.Adamson 的《Physical chemistry of surfaces》(John WileyiSon,Inc, 1997)和 J.Lyklema 的〈〈Fundamentals of interface and colloid science, Vol3:Liquid-fluid interfaces)) (Academic press, 2000)均详细描述了包括流动法(Flowmethods)、毛细波(capilary waves),最大气泡法(maximum bubble pressure method)和滴体积法(Maximum drop volume method)等。这些方法在实际测试过程中存在易受外界因素干扰、测值精度一般、无法测试液一液界面张力的缺陷。目前，商业化的动态表面张力仪主要为最大气泡法和滴体积法的仪器，包括德国Kruss、瑞典B1lin、德国site、日本Kyowa、德国Lauda等公司。而在这两种方法中，以最大气泡法应用较为普通。相较于其他方法，最大气泡法采用了压力传感器测试压力差后，通过Young-Laplace方程经过经验值修正后，计算得出表面张力值。这样的测试过程相对而言充分利用了压力传感器的高速、灵敏度高的优势，可以感测得到比较快的时间的表面张力变化。商业化的仪器显示，其反应速度最快可达5ms (0.005s)。但是，由于测试原理决定，在实际应用中存在比如毛细管材质、毛细管直径、额外压力等复杂的修正、气泡形成过程中气泡间隔时间与气泡脱离时间是否一致等各种影响测值的问题，从而严重影响了动态吸附的评估。从实际测试结果来看，最大气泡法的数据很少有0.01秒这样级别的，通常均是秒级的比较多。从而也证实了其实际应用于动态测试效果不好。
[0003]2Oll 年，德国 R.Miller 在《bubble and drop interfaces》(VSP，2011)中对如上的最大气泡法、滴体积法的仪器的相关技术进行了总结。同时，书中重点对其长期提出的毛细管压法动态表面张力(Capillary pressure tens1metry)测试技术进行了全面总结(原书第143页)。这种技术是对动态界面张力测试的一种尝试，也取得了一定的成功。毛细管压法的核心在于测试毛细管压力差以及拍摄图像的顶点曲率半径，计算得出动态界面张力(当然，表面张力测试也是完全可以的)。其优点同样是利用的压力传感器的高灵敏度、响应快的优势，但缺点也是非常明显，包括:第一，在计算值的时候，需要通过图像法计算顶点曲率半径，这个数据与压力传感器的数据同步性立即降低；第二，大部分液滴在形成悬滴(pendant drop)时，很难保证其符合最简化的Young-Laplace方程，即表面张力值所以测值的精确度大大降低了。在实际的测试数据中我们也可以看到，测试时，R.Miller很少提供高速吸附的参考数据，通常的动态吸附均为秒级的。R.Miller对毛细管压法动态表面张力仪的结构进行了描述，采用了注射泵和压电陶瓷活塞(piezo-piston)的结构。同样的，商业化的仪器如德国Kruss、Dataphysics的仪器中也采用了类似的结构。其显著特征为由于压电陶瓷活塞(压电陶瓷振荡片)本身会带电，所以液滴形成腔体以聚甲醛等类似的塑料件组成，而非金属件。因而，有效的控制温度是其明显的缺点。而且，压电陶瓷活塞的密封结构无法适应高速(毫秒级)的机械运动。而且，在实际应用中，简单的压电陶瓷活塞结构很容易导致排气不干净，存在气泡问题，从而影响快速形成的压力的传导。
[0004]美国专利US2009/0133480A1 (2009 年 5 月 8 日)《Methods and device forfast creat1n of fluid interfaces and used of this device for determinat1n ofliquid-liquid and liquid-gas interfacial properties))同样对于动态表面 / 界面张力测试技术进行了描述，提及了轴对称影像分析法(ADSA)和R.Miller提及的毛细管压法(CPM)0但其专利的核心为三种液滴形成的方式:保护液滴式(Protected drop method，PDM)、隐藏液滴式(Hidden drop method, HDM)和保护气泡式(Protected bubble method,PBM)。这三个方法与本专利提及的动态界面张力仪和测试方法技术不存在任何关系，不影响本专利的创新性。
[0005]为解决如上各种问题，本专利公布了一种高速、可控温的动态界面张力仪。本实用新型提出的高速、可控温的动态界面张力仪采用了压电陶瓷纳米定位平台作为主控制部件，在亚毫秒时间内形成一个新的液滴表面，动态测试新形成表面的液一气或液一液界面张力。摄像系统采用了平行光源和远心镜头，并通过高速摄像机拍摄液滴图像。本专利涉及的技术，可广泛应用于日化、农药、石油化工、表面活性剂研宄、消防、电力等各个行业领域，具有极高的推广价值。
【发明内容】
[0006]针对上述情况，本实用新型提供一种高速、可控温的动态界面张力仪，解决最大气泡法表面张力仪和毛细管压法表面张力仪的动态测试精度差、响应速度一般，无法控制温度的问题，我们对动态界面张力仪的结构、所用材料、采用的关键部件作出了创新。
[0007]为了实现上述目的，本实用新型的技术方案如下:
[0008]一种高速、可控温的动态界面张力仪，包括步进电机控制的光学旋转平台、微量进样器、三通阀门、注射泵组件、远心显微镜头、高速摄像机、支撑架、电气箱、光学调整台组件、底座、连接板，底座左侧设有步进电机控制的光学旋转平台和电气箱，底座右侧设有远心显微镜头和高速摄像机，底座上方设有注射泵组件，底座中间设有光学调整台组件，光学旋转平台通过连接板与底座另一侧的远心显微镜头和高速摄像机固定结构连接，形成一个可沿垂直方向转动的结构，其特征在于，还包括电压陶瓷腔体，电压陶瓷腔体设于注射泵组件下方，电压陶瓷腔体后端通过毛细管连接至三通阀门进而与注射泵组件连接，电压陶瓷腔体前端通过鲁尔接口连接针头。
[0009]作为优选实施例，所述电压陶瓷腔体包括腔体固定螺丝、压电陶瓷定位台、腔体固定座、腔体压板、高弹性O形密封圈、腔体振荡板、腔体压帽、循环水腔体、腔体盖板、循环水槽快速接口、腔体加强板，循环水腔体分为振动腔和控温腔，振动腔内设有腔体振荡板，腔体振荡板外侧设有腔体压板，腔体振荡板的震荡柄伸出腔体压板并由固定螺丝固定在压电陶瓷定位台一侧，压电陶瓷定位台另一侧固定在腔体固定座上，控温腔一侧设有腔体盖板，腔体盖板顶部有两个循环水槽快速接口。
[0010]在另一优选实施例中，所述电压陶瓷腔体包括振荡片压板、压电陶瓷振荡片、高弹性O形密封圈、腔体主体、控温压板、循环水槽快速接口、转接口，腔体主体一侧为振动腔，另一侧为控温腔；振动腔内设有压电陶瓷振荡片，压电陶瓷振荡片的内侧设有高弹性O形密封圈，振动腔外侧设有振荡片压板；控温腔外侧设有控温压板，控温腔顶部设有循环水槽快速接口，腔体主体底部设有转接口，转接口与鲁尔接口连接。
[0011]在另一优选实施例中，所述光学调整台组件包括电机控制的一维光学平移台、微分头控制的一维倾斜调整架、具有石英玻璃观察窗的恒温样品池、微分头控制的二维水平调整台、微分头控制的一维升降光学平移台、电机控制的一维光学平移台。
[0012]在另一优选实施例中，所述电压陶瓷腔的体管路结构包括进液接口、进液管路、进液管路出液孔、出液孔、第二进液接口、出液管路、出液口，所述进液接口设于压电陶瓷腔体的左下侧，进液接口通过进液管路与腔体主体上的进液管路出液孔连接，第二进液接口位于腔体主体中部，出液管路一端设于第二进液接口内侧，出液管路的另一端连接