界面張力儀選購(gòu)指南及技術(shù)要點(diǎn)

本文采用問(wèn)答的形式對(duì)界面張力儀的一些技術(shù)要點(diǎn)、測(cè)試原理進(jìn)行了比較粗淺的說(shuō)明。界面張力測(cè)值技術(shù)在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)一直被用戶所忽視，在本文中，我們進(jìn)行了一部分澄清，希望對(duì)用戶有所幫助。

 

通常而言，界面張力儀可以用來(lái)測(cè)試表面張力和界面張力值。但反之，表面張力儀不一定可用于測(cè)試界面張力值。這里存在兩個(gè)概念：其一、表面張力通常特指液－氣之間的界面張力值，而界面張力儀中的界面張力通常指液－液界面張力值，有時(shí)也會(huì)涉及到液－液－氣（高溫高壓條件下）的界面張力值。因而，表面張力值通常高于16mN/m，而界面張力有時(shí)會(huì)低到0.0001mN/m甚至更低。因而，界面張力儀的要求會(huì)比較多，表面張力儀的要求會(huì)比較少一些。其二、表面張力測(cè)試和界面張力測(cè)試所用的技術(shù)差別非常大。表面張力測(cè)試通常采用的技術(shù)為白金板法和白金環(huán)法，而界面張力測(cè)試除了以上兩種方法外，有效的方法是懸滴法、約束停滴法和旋轉(zhuǎn)滴法等。綜合而言，表面張力儀與界面張力儀存在很大不同。

另一方面，表面張力儀通常特指稱重原理的表面張力儀，主要為白金環(huán)法和白金板法的表面張力儀。目前，白金環(huán)法的表面張力儀通常是作為白金板法表面張力儀的附屬配件被銷售。而白金板法的表面張力儀為目前市場(chǎng)的主流。白金板法的表面張力儀目前分為兩類，一種是經(jīng)典的基于零浮力的算法和基于Young-Laplace方程修正法的。經(jīng)典白金板法與白金環(huán)法的修正均以零接觸角值為前提條件。但是事實(shí)上，在界面張力測(cè)試時(shí)，接觸角的變化范圍非常大，約為29－129度，因而，零接觸角的假設(shè)在此兩種方法是無(wú)效的。所以，除基于Young-Laplace方程修正法的表面張力儀外，其他方法用于測(cè)試界面張力值時(shí)會(huì)出現(xiàn)偏低現(xiàn)象。具體可用苯與水的界面張力值作為驗(yàn)證（20度，界面張力值為35mN/m）。

因而如果想測(cè)試界面張力值時(shí)，的儀器并非是白金板法或白金環(huán)法的表面張力儀。同時(shí)，稱重原理的表面張力儀如標(biāo)稱界面張力儀，嚴(yán)格意義會(huì)產(chǎn)生一定的誤解。

 

由于接觸角、浮力影響以及變化范圍更大，油水界面張力，特別是含有表面活性劑的油水界面張力的測(cè)值，動(dòng)態(tài)界面張力值等變得非常困難。目前，測(cè)試界面張力值的方法包括了懸滴法、停滴法、旋轉(zhuǎn)滴法和白金板法、白金環(huán)法。結(jié)合應(yīng)用來(lái)看，白金板法測(cè)試效果略好于白金環(huán)法，但測(cè)值結(jié)果很容易偏低。如果僅是考察相對(duì)值變化或重復(fù)性測(cè)試，可以考慮白金板法，其穩(wěn)定性會(huì)非常好。但如果想得到比較好的值，懸滴法和停滴法優(yōu)于旋轉(zhuǎn)滴法，旋轉(zhuǎn)滴法優(yōu)于白金板法。理由為，懸滴法和停滴法更適合于作飽和操作，而其他方法均無(wú)法有效的實(shí)現(xiàn)飽和處理。懸滴法可測(cè)試界面張力值可達(dá)0.1mN/m，約束停滴法界面張力測(cè)值可達(dá)0.0001mN/m，可適用于很大范圍的測(cè)值。且這兩種方法均可實(shí)現(xiàn)超高溫、超高壓、真空等條件下的界面張力測(cè)試。

特別值得得出的是，懸滴法可以完成動(dòng)態(tài)界面張力（表面活性劑在界面吸附）的測(cè)試。采用高速攝像機(jī)和壓力傳感器，滴出水滴到油相時(shí)，則可以完成非常高精度的Dead time和bubble life測(cè)試。目前僅美國(guó)科諾的接觸角儀SL200K和C60系列可以提供相應(yīng)的配件。

旋轉(zhuǎn)滴法界面張力儀可以測(cè)試超低界面張力值，但由于其精度一般，因而通常應(yīng)用于三次采油的分析。目前，美國(guó)科諾發(fā)明的超高壓、高溫旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀解決了模擬井下作業(yè)環(huán)境時(shí)的界面張力測(cè)試，其技術(shù)在界面張力測(cè)試領(lǐng)域是世界的。

 

旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀的選購(gòu)主要應(yīng)注意：（1）溫度控制技術(shù)采用何種技術(shù)？（2）溫度控制范圍？（3）電機(jī)的控制方式？（4）樣品管的材質(zhì)與密封結(jié)構(gòu)？（5）軟件算法？

（1）旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀的溫度控制控制技術(shù)：溫度控制技術(shù)目前主要有三種，控制樣品管所在位置的空氣的溫度（氣熱式）、控制加熱源的溫度（目前主流）以及控制樣品管所在油環(huán)境的溫度（德國(guó)Kruss）。從效果來(lái)看，控制樣品管所在位置油的溫度的效果。但其缺點(diǎn)在于維修與清洗樣品管非常不方便，易漏液，不易注入原油樣。因而，氣熱式溫控技術(shù)是目前世界的溫控技術(shù)。

（2）旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀的溫度控制范圍：溫度控制范圍由儀器使用者的測(cè)試需求所決定。如中國(guó)大部分地區(qū)的油田需求為80度以內(nèi)即可，但有的地區(qū)深井作業(yè)時(shí)，需要溫度會(huì)高于90度，此時(shí)對(duì)于儀器的要求就相對(duì)較高。90度以上時(shí)，旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀的溫度控制技術(shù)目前只有氣熱式是的，如果只控制加熱源的溫度（非科諾產(chǎn)品），那么樣品管的溫度與目標(biāo)需求溫度差距將非常大。具體可以采用將樣品管加熱后等10分鐘后再拿出測(cè)試手感溫度，通常非氣熱式的溫控技術(shù)時(shí)，樣品管的溫度遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到90度。而如果要求溫度高于100度，則需要的高溫高壓旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀。

（3）旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀的電機(jī)控制方式主要是指電機(jī)是直流有刷電機(jī)還是直流無(wú)刷電機(jī)。直流有刷電機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于成本低，但是缺點(diǎn)非常明顯，控制精度不高，壽命比較短；但直流無(wú)刷電機(jī)由于取消了碳刷，壽命會(huì)非常長(zhǎng)，讀值精度真正可達(dá)0.1RPM，但價(jià)格相對(duì)比較高。

（4）旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀的樣品管材質(zhì)與密封結(jié)構(gòu)：旋轉(zhuǎn)滴樣品管目前美國(guó)科諾采用了藍(lán)寶石和石英玻璃兩種材質(zhì)。這兩種材質(zhì)無(wú)論在透光率、均勻度以及折射率等方面均保持了的性能。部分儀器廠商提供了普通硅酸鹽玻璃，透光率差、均勻度差且防爆性能差、耐溫與耐壓性能差。玻璃玻璃管是已經(jīng)被淘汰的技術(shù)。密封結(jié)構(gòu)主要分為三類：一端開(kāi)口的樣品管，兩端開(kāi)口自密封樣品管和動(dòng)態(tài)密封樣品管。從技術(shù)上來(lái)看，動(dòng)態(tài)密封樣品管技術(shù)，一端開(kāi)口樣品管差。但從實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，兩端開(kāi)口樣品管更易清洗（超聲波清洗+機(jī)械清洗均可）、更易裝入原油樣、更易排氣因而是旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀的技術(shù)。

（5）軟件算法：旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀形成的液滴的外形輪廓事實(shí)上是符合Young-Laplace方程的，因而是可以通過(guò)Young-Laplace方程擬合技術(shù)計(jì)算得到界面張力值的。目前，該算法由美國(guó)科諾授權(quán)上海梭倫在中國(guó)地區(qū)申請(qǐng)了發(fā)明，已經(jīng)獲得授權(quán)。而事實(shí)上，在算法上，可以有一種更方便的測(cè)試方法，這種方法需要結(jié)合樣品管粗細(xì)配合的方法測(cè)得，即，不同表面或界面張力值的樣品采用不同的內(nèi)徑的樣品管測(cè)試，并盡量形成長(zhǎng)比寬大于1.5倍的液滴。此時(shí)，無(wú)須Young-Laplace方程擬合技術(shù)也可以完成測(cè)試。但這種方法對(duì)于0.01mN/m以下的樣品的界面張力值需要進(jìn)行離心力修正。因而，基于離心力修正的簡(jiǎn)化的馮格內(nèi)特法對(duì)于旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀而言是方便和實(shí)用的軟件算法。但精度更高的算法為Young-Laplace方程擬合法。

 

高溫高壓旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀可以完成超低界面張力測(cè)試，而高溫高壓接觸角和界面張力儀由于采用了懸滴法（pendant drop method）和停滴法（Sessile drop method），目前無(wú)法用于測(cè)試低于0.0001mN/m的界面張力值。在具體應(yīng)用時(shí)，兩者各有優(yōu)勢(shì)。高溫高壓接觸角儀在應(yīng)用時(shí)，特別適用于測(cè)試潤(rùn)濕角反轉(zhuǎn)應(yīng)用，但目前提供多點(diǎn)測(cè)試技術(shù)的高溫高壓接觸角儀僅僅只有美國(guó)科諾工業(yè)有限公司的儀器。如果僅提供單點(diǎn)測(cè)試，即一次只能滴出一液滴，再滴液滴則由于在同一位置點(diǎn)滴出而不能形成新液滴。所以，在高壓接觸角測(cè)試時(shí)的技術(shù)核心在于移動(dòng)巖芯。高溫高壓接觸角儀及界面張力儀的另一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)在于可以測(cè)試高溫高壓條件下的動(dòng)態(tài)界面張力值，以不同的速度滴出液滴并采用高速相機(jī)拍攝下來(lái)界面張力的變化，就可以測(cè)得相應(yīng)條件下的液滴的死時(shí)間（Dead time）和液滴壽命（或氣泡壽命 bubble life）。

 

可以控制溫度。溫控技術(shù)包括恒溫水槽技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)，半導(dǎo)體技術(shù)更利于界面張力儀測(cè)試油水界面張力。目前，半導(dǎo)體技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)的溫度控制范圍為－20－200攝氏度，精度可達(dá)0.1度。具體可與美國(guó)科諾或上海梭倫的應(yīng)用工程師聯(lián)系。如上界面張力控制范圍同樣適用于旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀。目前，商業(yè)化的旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀的溫度控制通常只有加熱，制冷的技術(shù)目前僅半導(dǎo)體技術(shù)會(huì)更好，但必須結(jié)合旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀的轉(zhuǎn)軸技術(shù)和氣熱式溫控技術(shù)才能夠更的控制溫度。

 

采用懸滴法測(cè)試油水界面張力值需要用到的配件包括：U形針頭、平尖針頭、聚四氟針頭以及石英玻璃方缸。如果需要控制溫度時(shí)，需要采購(gòu)相應(yīng)的恒溫樣品池或控溫機(jī)構(gòu)。

 

目前，懸滴法和停滴法測(cè)試界面張力值的軟件算法主要有四個(gè)?；贐A表查表法（目前中國(guó)的軟件只能提供本算法）、基于Select plane算法的Young-Laplace方程擬合技術(shù)（國(guó)外主要儀器廠商均采用本算法）、ADSA－P（A.W.Neumann）以及基于ADSA-RealDrop算法的Young-Laplace方程擬合技術(shù)（上海梭倫發(fā)明技術(shù)）。其中，Select plane算法由于商業(yè)化的儀器中主要采用了本算法，應(yīng)用得比較多。但是這個(gè)算法主要被應(yīng)用于測(cè)試超疏水條件下的接觸角值為主。學(xué)術(shù)上目前應(yīng)用得多的是ADSA－P算法。ADSA－RealDrop算法基于ADSA－P算法，采用二次求解Young-Laplace方程算法，相對(duì)于ADSA－P算法的頂點(diǎn)曲線半徑經(jīng)驗(yàn)假設(shè)而言，科學(xué)性以及可靠性均有了提升。

 

標(biāo)定光學(xué)法接觸角和界面張力儀主要采用紅寶石標(biāo)定球，旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀采用陶瓷、紅寶石或不銹鋼標(biāo)定尺均可。但紅寶石標(biāo)定石的精度。同時(shí)，在標(biāo)定時(shí)，建議采用粗的標(biāo)定尺，建議直徑1mm或1.5mm即可。

 

界面張力儀采用懸滴法或停滴法測(cè)試油水界面張力或液氣表面張力值同樣需要清洗針頭和樣品管。可以采用超聲波清洗機(jī)洗機(jī)，并用蒸餾水進(jìn)行抽拉式二次洗洗。再用蒸餾水測(cè)值判斷是否清洗干凈。

 

（1）標(biāo)定是關(guān)鍵的。一定要采用紅寶石標(biāo)定球進(jìn)行標(biāo)定。盡量不要采用針頭標(biāo)定的方式。

（2）一定要用采用彩色相機(jī)，此時(shí)的邊緣成像清晰度更高，精度更準(zhǔn)。

（3）一定要進(jìn)行清洗，特別是針頭部分的清洗以及測(cè)試完表面活性劑后的清洗。

（4）停滴法在測(cè)試界面張力值時(shí)并非標(biāo)準(zhǔn)的接觸角測(cè)試的停滴法，我們采用的方法是約束停滴法，需要專門的平尖頭針頭，且是四氟材質(zhì)或不銹鋼材質(zhì)的。

（6）在有條件時(shí)盡量控制溫度后測(cè)試油水界面張力值。

 

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