专利名称：界面或表面扩张粘弹性测定仪的制作方法
技术领域：
本发明属于粘弹性测量仪器技术领域，特别涉及郎缪尔(Langmuir)槽法的界面或表面扩张粘弹性测定仪。
界面或表面扩张粘弹性是乳状液油水界面或表面的重要性质，测量方法可以分为Langmuir槽法和液滴膨胀技术两大类。Langmuir槽法测量界面扩张粘弹性的实验装置所用的Langmuir槽与普通膜天平相似，界面的压缩或扩张由滑障的运动得到，根据滑障运动方式的不同，这类利用Langmuir槽测量界面扩张粘弹性的方法又可分为小幅低频振荡法、宏观形变法和界面或表面张力驰豫方法三种。这三种方法各有其优缺点，适用于不同的测量体系。虽然根据不同的测量方法制备出了相应的测量仪器，但由于这些测量仪器都是各自采取其中的某一种测量方法，所以测量方法受到了较大的限制。
现有Langmuir槽法的界面或表面扩张粘弹性测定仪，存在以下缺陷(1)由于机械驱动方式的限制，已有的技术中滑障运动只能采取匀速运动方式或上面提到的三种运动方式中的一种，测量方法比较单一，难于得到丰富的实验数据，这给仪器的适用范围带来了较大限制。(2)由于Langmuir槽和滑障的设计，已有的技术要么只适用于表面扩张粘弹性的测量，要么在测量界面扩张粘弹性时对界面的扰动较大，可能会对测量带来不利的影响。
本发明的目的是克服现有郎缪尔(Langmuir)槽法的界面或表面扩张粘弹性测定仪存在的上述缺陷，提供一种可以使用小幅低频振荡法、宏观形变法和界面或表面张力驰豫法三种测量方法，对界面或表面扩张粘弹性进行测量的界面或表面扩张粘弹性测定仪，通过该测定仪能提供较全面的界面或表面扩张粘弹性实验数据。
本发明的目的是这样实现的本发明的界面或表面扩张粘弹性测定仪包括郎缪尔(Langmuir)槽体、滑障及滑障运动的机械控制部分、界面张力的测量部分和水浴恒温及测温系统；在Langmuir槽1的槽体上设有进水口15、出水口16和温度传感器8；在Langmuir槽1的内部安装有滑障2；滑障2与具有反向螺纹的螺杆6连接，螺杆6与步进电机7连接；滑障2由控制滑块运动的传动杆2-a、滑块2-b和架在传动杆2-a下的固定螺钉2-c组成；温度传感器8、力传感器4和步进电机7通过接口板18与数据线接口9及电源线17相连；数据线接口9引出的数据线11和电源线17与电路控制部分19连接，电路控制部分19上的数据线接口12通过数据线13与计算机的COM口14连接。
力传感器4固定在Langmuir槽体上方的力传感器支架5上，吊片3悬挂在力传感器4力臂上的挂钩上；吊片的水平位置是位于Langmuir槽的正中，平行于滑块2-b的方向，高度以油/水或空气/水界面的位置为准。
Langmuir槽1通过进水口15和出水口16与恒温水槽相连，以此来恒温。Langmuir槽体1的温度由温度传感器8测量。
所述的接口板18是与25针的数据线11连接。
所述的Langmuir槽体1的内部是阶梯式的结构。
整个仪器的工作过程(包括滑障运动、数据采集和数据处理)采用计算机自动控制。仪器由机械部分和电路控制部分、计算机及软件部分组成。计算机及软件部分的作用是发出指令和分析实验数据；电路控制部分的作用是将计算机指令转变成具体的电信号，将测量得到的电信号转变成数字信号传输给计算机，同时提供机械部分正常工作所需的电压；机械部分则是界面形变和界面张力测量的具体实施者。
所述的Langmuir槽体1的内部采用阶梯式的结构，其优点在于油水界面的位置很容易得到。
所述的滑障2，其传动杆2-a的一头与螺杆6相连，另一头挖出空槽，将滑块2-b套住，空槽的宽度与滑块2-b的厚度一致，固定螺钉2-c的作用是架住传动杆2-a，使其与滑块2-b的接触非常灵活。由于滑块2-b是通过传动杆2-a和它自身的重力压在Langmuir槽1上的，因此既可保障滑块2-b与槽体1的良好接触，使滑动起来摩擦力较小。
所述的滑块2-b的上半部分是一个半月形的聚四氟乙烯块，下半部分由外面镀了一层聚四氟乙烯的不锈钢片做成，不锈钢片用螺丝固定在上半部分的聚四氟乙烯块上。
所述的吊片用0.8mm厚的聚四氟乙烯薄片或镀了一层聚四氟乙烯的同等厚度的不锈钢片做成。用不锈钢丝或镍铬丝悬挂在力传感器的挂钩上。
所述的滑障的运动用步进电机驱动的具有反向螺纹的螺杆控制，通过计算机控制步进电机在单位时间内的运动步数，从而获得具有不同运动方程的运动方式(如正弦运动、指数方程的运动等等)。
本发明界面或表面扩张粘弹性测定仪具有1.提供了界面或表面扩张粘弹性测量的工具；2.能采用三种工作模式进行工作，可以提供丰富的实验数据，适合于不同体系的测量。
3.槽体内部的阶梯形设计更适合于油水界面的测量。
4.采用聚四氟乙烯片或镀聚四氟乙烯的不锈钢片作吊片，使吊片与油水界面的接触角能长久保持在180°，使动态界面张力的测量更加方便准确。
5.采用特殊设计的滑障，使滑障与槽体之间保持良好滑动，并且滑障对液体体相的扰动非常小。
下面结合实施例及附图对本发明的技术方案作进一步的描述。
图1.本发明仪器结构示意图；图2.本发明Langmuir槽的俯视图；图3.本发明Langmuir槽的纵剖面示意图；图4.本发明滑障组合后的结构示意图；图5.本发明滑块的侧面结构示意图；图6.本发明传动杆的俯视示意图；图7.本发明实施例1不同扩张速率常数时Triton X-100(浓度0.05％)的稳态表面扩张粘度实验数据曲线；图8.本发明实施例2小幅低频振荡工作模式下正癸烷/0.05％ Triton X-100水溶液界面的实验曲线及拟合曲线；图9.本发明实施例3界面张力驰豫工作模式下正癸烷/0.1％ Triton X-100水溶液界面的界面张力驰豫曲线及拟合曲线；图10.本发明实施例3界面张力驰豫方法得到的界面扩张弹性(εd)及界面扩张粘度(ηd)的频率谱。
图中标示1.Langmuir槽 2.滑障 3.吊片 4.力传感器 5.力传感器支架6.反向螺纹的螺杆 7.步进电机 8.温度传感器9. 25针数据线接口 10.机械部分外壳 11. 25针数据线
12. 9针数据线接口 13. 9针数据线 14.计算机COM口15.进水口 16.出水口 17.电源线18.接口板 19.电路控制部分2-a.传动杆 2-b.滑块 2-c.固定螺钉。
本发明的界面或表面扩张粘弹性测定仪由机械部分和电路控制部分、计算机及软件部分组成。计算机及软件部分的作用是发出指令和分析实验数据；电路控制部分的作用是将计算机指令转变成具体的电信号，将测量得到的电信号转变成数字信号传输给计算机，同时提供机械部分正常工作所需的电压；机械部分则是界面形变和界面张力测量的具体实施者，仪器的机械部分放在外壳19中。
在内部采用阶梯式结构的Langmuir槽1上设有进水口15、出水口16和温度传感器8；进水口15和出水口16分别与恒温水槽的出水口和进水口相连，以此达到恒温的目的。温度传感器8用于测量Langmuir槽1的温度。
在Langmuir槽1的内部安装有滑障2，滑障2由控制滑块运动的传动杆2-a、滑块2-b和架在传动杆2-a下的固定螺钉2-c组成。滑障2的传动杆2-a连接在具有反向螺纹的螺杆6上，螺杆6与步进电机7直接相连，通过步进电机的转动来控制滑障2的运动。
温度传感器8、力传感器4和步进电机7通过接口板18与数据线接口9及电源线17相连。力传感器4固定在Langmuir槽体上方的力传感器支架5上，吊片3悬挂在力传感器4力臂上的挂钩上；吊片的水平位置是位于Langmuir槽的正中，平行于滑块2-b的方向，高度以油/水或空气/水界面的位置为准。吊片用0.8mm厚的聚四氟乙烯薄片，用不锈钢丝或镍铬丝悬挂在力传感器的挂钩上。
数据线接口9引出的数据线11和电源线17连接到电路控制部分19，电路控制部分19通过数据线13与计算机的COM口14连接。
滑障2的传动杆2-a的一头与螺杆6相连，另一头挖出空槽，将滑块2-b套住，空槽的宽度与滑块2-b的厚度一致，固定螺钉2-c的作用是架住传动杆2-a，使其与滑块2-b的接触非常灵活。滑块2-b的上半部分是一个半月形的聚四氟乙烯块，下半部分由外面镀了一层聚四氟乙烯的不锈钢片做成，不锈钢片用螺丝固定在上半部分的聚四氟乙烯块上。
滑障的运动用步进电机驱动的具有反向螺纹的螺杆控制，通过计算机控制步进电机在单位时间内的运动步数，从而获得具有不同运动方程的运动方式(如正弦运动、指数方程的运动等等)。
整个仪器的工作过程(包括滑障运动、数据采集和数据处理)采用计算机自动控制。
首先用铬酸洗液浸泡Langmuir槽1的内壁、滑块2-b和吊片3，以除去可能存在的有机杂质，然后分别用一次蒸馏水和二次蒸馏水清洗，干燥。将滑障2和吊片3调整至适当的位置，将Langmuir槽调整至水平。注入水相，水相的液面高度为与Langmuir槽1的台阶高度平齐。如果进行表面性质的测量，则直接进行下面的操作，若进行界面性质的测量，还要注入油相，油相的液面高度以完全浸没吊片3为准。用恒温水浴对实验体系进行控温。
待体系预平衡足够长时间后，开始界面或表面扩张粘弹性质的测量。方法如下；打开计算机及仪器电源，仪器预热30分钟。打开控制程序，将计算机与仪器联机，联机成功后，选择工作模式，输入控制参数，点按记录按钮，即可开始实验测量。测量结束后，再将得到的原始数据用软件处理即可得到相应的测量结果。
1.稳态法测量0.1％ Triton X-100水溶液的稳态表面扩张粘度。
测量结果如图7所示。从图中可以读到不同扩张速率常数时的Δσ值，代入公式可得稳态扩张粘度，结果如下表所示。
2.小幅低频振荡工作模式下测量正癸烷/Triton X-100水溶液界面的扩张粘弹性测量条件温度20℃振荡幅度10％振荡频率0.05Hz实验原始曲线及拟合曲线如图8所示。
从图中读到Δσ平衡＝0.20mN/m。根据公式计算可以得到，在本实验条件下，|ε|＝1.88mN/m。通过正弦曲线数据拟合可以得到，相角θ＝36°。通过公式可以分别计算得到εd＝1.52mN/m，ηd＝22.1mN/m·s。
3.界面张力驰豫方法测量癸烷/0.1％ Triton X-100水溶液界面的扩张粘弹性界面张力驰豫曲线及拟合曲线如图9所示。利用公式算得到的界面扩张弹性εd和界面扩张粘度ηd的频率谱分别如图10所示。
权利要求
1.一种界面或表面扩张粘弹性测定仪，包括郎缪尔槽体、滑障及滑障运动的机械控制部分、界面张力的测量部分和水浴恒温及测温系统，其特征在于在郎缪尔槽(1)的槽体上设有进水口(15)、出水口(16)和温度传感器(8)；在郎缪尔槽(1)的内部安装有滑障(2)；滑障(2)与具有反向螺纹的螺杆(6)连接，螺杆(6)与步进电机(7)连接；温度传感器(8)、力传感器(4)和步进电机(7)通过接口板(18)与数据线接口(9)及电源线(17)相连。
2.如权利要求1所述的界面或表面扩张粘弹性测定仪，其特征在于所述的数据线接口(9)引出的数据线(12)和电源线(17)与电路控制部分(19)连接，电路控制部分(19)上的数据线接口(12)通过数据线(13)与计算机的COM口(14)连接。
3.如权利要求1所述的界面或表面扩张粘弹性测定仪，其特征在于所述的力传感器(4)固定在郎缪尔槽体上方的力传感器支架(5)上，吊片(3)悬挂在力传感器(4)力臂上的挂钩上。
4.如权利要求1所述的界面或表面扩张粘弹性测定仪，其特征在于所述的滑障(2)由控制滑块运动的传动杆(2-a)、滑块(2-b)和架在传动杆(2-a)下的固定螺钉(2-c)组成。
5.如权利要求1所述的界面或表面扩张粘弹性测定仪，其特征在于所述的郎缪尔槽体(1)的内部是阶梯式的结构。
6.如权利要求1或4所述的界面或表面扩张粘弹性测定仪，其特征在于所述的滑障(2)，其传动杆(2-a)的一头与螺杆(6)相连，另一头挖出空槽，将滑块(2-b)套住，空槽的宽度与滑块(2-b)的厚度一致。
7.如权利要求4所述的界面或表面扩张粘弹性测定仪，其特征在于所述的滑块(2-b)的上半部分是一个半月形的聚四氟乙烯块，下半部分由外面镀了一层聚四氟乙烯的不锈钢片做成。
8.如权利要求3所述的界面或表面扩张粘弹性测定仪，其特征在于所述的吊片用0.8mm厚的聚四氟乙烯薄片或镀了一层聚四氟乙烯的同等厚度的不锈钢片做成。
全文摘要
本发明涉及Lanmuir槽法的界面或表面扩张粘弹性测定仪。包括Langmuir槽体、滑障、界面张力的测量部分等。内部是阶梯式结构的槽体上设有温度传感器;内部安装有滑障,滑障与具有反向螺纹的螺杆连接;温度传感器、力传感器和步进电机通过接口板与数据线接口相连;力传感器固定在槽体上方的力传感器支架上,吊片悬挂在力传感器力臂上的挂钩上。提供了三种工作模式的界面扩张粘弹性测量工具,特别适合于界面性质的测量。
文档编号G01N13/02GK1382971SQ01115539
公开日2002年12月4日 申请日期2001年4月27日 优先权日2001年4月27日
发明者俞稼镛, 孙涛垒, 陈鲁铁, 赵濉, 陈邦林 申请人:中国科学院理化技术研究所