CN104359798A - 自动测量粉体/颗粒表面自由能参数的多通量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种自动测量粉体/颗粒表面自由能参数的多通量装置。包含进样器、压力传感器，设于压力传感器中的玻璃管，设于支撑架下部的进/排液敞口容器，与进/排液敞口容器相连的输液泵，与整套装置相连的在线控制、分析计算机。通过在计算机中设定进样参数，压力传感器反馈实时数据以控制进样器实现自动进样，输液泵将溶剂输入敞口容器中，液面与玻璃管下端接触，压力传感器实时反馈压力变化，计算机对该数据进行记录分析，利用编程软件计算出粉体/颗粒表面自由能参数。测量过程中，多组单元组件全自动运行，以同时测量不同溶剂，达到优化测量过程，快速自动测量计算的目的。

Description

自动测量粉体/颗粒表面自由能参数的多通量装置

技术领域

本发明涉及一种测量装置，特别是涉及一种测量粉体/颗粒表面自由能参数的多通量装置。 

背景技术

粉体/颗粒的表面自由能参数是一种在科研与实际生产中十分重要的基础数据，通过表面自由能参数，可以计算出粉体/颗粒的表面张力、表面能、吸附能(附着能)等一系列数据，表面张力可以用于晶体生长速率、毛细管作用、材料表面性质等的理论计算和表征；表面能可以用于研究颗粒聚散行为和粘胶或其他材料的性能等；吸附能(附着能)可以解释颗粒间的吸附作用、沥青的粘结作用等，范德华酸碱理论是计算吸附能的理论，其中涉及到的固体表面自由能参数是其计算过程中的关键参数。可以看出，由表面自由能参数计算出的这些数据在化工、物理和生物方面都有着非常广泛的应用。目前对于固体，尤其是尺寸较小的粉体和颗粒，相关的自由能参数数据非常稀少，其原因是相关测量技术的不成熟导致对该类数据的补充十分缓慢，进而限制了其在科研与实际生产中的应用。 

测定粉体/颗粒表面自由能参数的方法一般为： 

测量探针液体与粉体/颗粒间的接触角，再利用范德华酸碱计算理论，结合已知探针液体的表面自由能参数推算出粉体/颗粒的表面自由能参数。 

从热力学角度来说，纯液滴置于光滑均匀的固体平面上，体系会产生一个自由能平衡，这一现象可以用Young方程来表述： 

γ_S-γ_SL＝γ_Lcosθ           (1) 

式(1)中的四个参数，其中，固液之间的接触角θ和液体表面自由能γ_L可以进行测量。固体表面自由能γ_S和固液间的表面自由能γ_SL则未知。 

利用Dupre方程，结合式(1)，可得： 

ΔG_SL＝γ_SL-γ_S-γ_L                            (2) 

进而可得： 

ΔG_SL＝-γ_L(1+cosθ)                          (3) 

式(3)被称为Young-Dupre方程。其中ΔG_SL为固液间的自由能。 

范德华酸碱理论是基于经典润湿热力学的半经验方程，总表面自由能成分包括非极性的范德华力(LW)和极性的里维斯酸平衡(AB)。 

在固液表面： 

${\mathrm{\γ}}_i={\mathrm{\γ}}_i^{\mathrm{LW}}+{\mathrm{\γ}}_i^{\mathrm{AB}}={\mathrm{\γ}}_i^{\mathrm{LW}}+2\sqrt{{\mathrm{\γ}}_i^{+}{\mathrm{\γ}}_i^{-}},i=S,L---\left(4\right)$

其中，和分别被定义为李维斯碱度和李维斯酸度。 

对于固液界面： 

${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{SL}}={\mathrm{\γ}}_{\mathrm{SL}}^{\mathrm{LW}}+{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{SL}}^{\mathrm{AB}}---\left(5\right)$

其中 

${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{SL}}^{\mathrm{LW}}={(\sqrt{{\mathrm{\γ}}_S^{\mathrm{LW}}}-\sqrt{{\mathrm{\γ}}_L^{\mathrm{LW}}})}^2---\left(6\right)$

${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{SL}}^{\mathrm{AB}}=2(\sqrt{{\mathrm{\γ}}_S^{+}{\mathrm{\γ}}_S^{-}}+\sqrt{{\mathrm{\γ}}_L^{+}{\mathrm{\γ}}_L^{-}}-\sqrt{{\mathrm{\γ}}_S^{+}{\mathrm{\γ}}_L^{-}}-\sqrt{{\mathrm{\γ}}_L^{+}{\mathrm{\γ}}_S^{-}})---\left(7\right)$

利用式(7)，Young-Dupre方程可以转换为： 

$(1+\cos \mathrm{\θ}){\mathrm{\γ}}_L=2(\sqrt{{\mathrm{\γ}}_S^{\mathrm{LW}}{\mathrm{\γ}}_L^{\mathrm{LW}}}+\sqrt{{\mathrm{\γ}}_S^{+}{\mathrm{\γ}}_L^{-}}+\sqrt{{\mathrm{\γ}}_S^{-}{\mathrm{\γ}}_L^{+}})---\left(8\right)$

式(8)中，固体(即粉体/颗粒)表面自由能参数有三个液体表面自由能参数有四个(γ_L，)。对于一种确定的液体，这四个参数可通过文献查得。而对于固体的三个未知参数，则可以通过测定三种探针液体(其参数γ_L，已知)在固体表面的接触角来列方程求得。最终，再利用式(8)计算出固体表面自由能参数等。 

以上范德华酸碱理论可进行计算机软件编程，以进行快速计算，其中只有接触角θ需要进行测量。 

在科研领域，针对测量探针液体与粉体/颗粒间的接触角，一般采用滴液法、毛细管上升法和薄板法，通过人工搭建实验装置和制备测量样本进行测量，因此耗时很长。而在目前的机械测量装置中，利用滴液法原理进行调控测量的装置，主要应用在液体与平面材料间的接触角测量，粉体/颗粒的接触角由于其测量难度大，暂无自动化的测量装置；目前也暂无利用 薄板法原理制作的装置，因为薄板法的关键在于制片，涉及到的操作流程复杂，对操作要求高，更加适合人工操作；利用毛细管上升法原理进行接触角的测量，适用于大部分粉体/颗粒，且操作简便，适合制作成自动测量装置。 

本发明中利用的毛细管上升法原理为改进的Washburn方程： 

$m^2=\frac{{\mathrm{C\ρ}}^z{\mathrm{\γ}}_L\cos \mathrm{\θ}}{\mathrm{\μ}}t$

其中，m为渗入粉体中的液体的质量，γ_l和ρ分别是液体的表面张力和密度，θ是液体在固体表面的前进接触角，μ指液体粘度，t为时间。C指物料常数，为了利用式(9)来计算粉体的前进接触角，必须事先用一种润湿性非常强的(cosθ＝1)液体，及完全润湿液计算出来。 

因此，测量接触角，可以在玻璃管中填充粉体/颗粒，分别将完全润湿液和探针液体与粉体/颗粒接触，利用装置记录渗入粉体/颗粒中的液体质量随时间的变化，得出式(9)中的m2-t斜率从而计算出接触角。之后利用计算软件计算出粉体/颗粒的表面自由能参数。 

目前已有少量利用毛细管上升法原理制作的接触角测量装置，但现有装置仅能满足单次接触角测量，且自动化水平较低，测量前添加样品，每次测量间歇过程中更换探针液体、完全润湿液以及反复清洗装置，都需要人工操作，导致最终测量结果误差增大，且单次测量时间和测量周期都较长。具体到以获得粉体/颗粒表面自由能参数为目的的、需要快速获得大量接触角数据、且需要后期数据处理的测量情况，现有的单次接触角测量装置的缺点又被进一步放大，无法满足测量效率和结果精度的要求。 

因此，目前亟需一种可以解决上述问题的测量装置，能够对粉体表面自由能参数进行多通量快速测定。 

发明内容

本发明目的在于提供一种自动测量粉体/颗粒表面自由能参数的装置，达到自动进样、自动控制液体与玻璃管下端接触、自动测量曲线以及自动排液清洁的全自动效果，以减少人工操作，提高每次的测量效率。本发明的另一目的在于提供一种测量粉体/颗粒表面自由能参数的多通量装置，实现多组接触角测量装置的同时运行，以减少测量周期。 

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下： 

一种测量粉体/颗粒表面自由能参数的多通量装置，其特征是该装置包含支撑架，支撑架上端开有多个进料口，每个进料口下端设置有开合器，控制进料口的张开与封闭；进料口下 端对应有玻璃管，每个玻璃管上半部分套有压力传感器，玻璃管下方设置有进/排液敞口容器；进/排液敞口容器下端与进/排液管相连；进/排液管与输液泵相连；开合器、压力传感器、输液泵和排液管都计算机相连，实现装置的自动运行与数据处理。 

支撑架上端开有至少4个进料口,每个进料口对应由一个开合器、一个玻璃管、一个压力传感器、一个进/排液敞口容器、进/排液管和一个输液泵组成的一组接触角测量装置。对三种探针液体和一种完全润湿液体进行同时测量，实现多通量。 

本发明的测量粉体/颗粒表面自由能参数装置包含支撑架，用以整合固定至少4组接触角测量装置。支撑架上端开有多个进料口，每个进料口下端封有开合器，实现进料口的张开与封闭。进料口下端对应有玻璃管，用以填装来自进料口的粉体/颗粒。每个玻璃管上半部分套有压力传感器，所有传感器固定于支撑架内部侧壁。玻璃管下方设置有进/排液敞口容器，进/排液敞口容器位于支撑架内部下端。每个进/排液敞口容器下端与进/排液管相连。进/排液管与输液泵相连。开合器、压力传感器、输液泵、排液管等与计算机相连，实现装置的自动运行与数据处理。计算机设定进样参数，压力传感器反馈实时数据以控制进样器实现自动进样，输液泵将特定溶剂输入敞口容器中，液面上升与玻璃管下端接触，压力传感器实时反馈压力变化，计算机对该数据进行记录分析，最终利用编程软件计算出粉体/颗粒表面自由能参数，实现了装置的自动化运行。 

本发明采用多通量的方法，整合装置，实现至少4组接触角测量装置的同时运行，对三种探针液体和一种完全润湿液体进行同时测量，一次性得到全部数据甚至多组平行数据，满足了测量粉体/颗粒表面自由能参数时需要大量接触角数据的需求。由于每个接触角装置负责一种液体，进而节省了更换液体、清洗装置的时间，减少了操作步骤，减少测量周期，同时也提高了测量准确度。再通过计算机实时在线分析，快速处理大量测量数据，最终达到快速测量的效果。 

附图说明

图1A为本发明的一优选实施例的侧面示意图。 

图1B为图1A的进样系统立体示意图。 

图2A为本发明的另一优选实施例的立体示意图。 

图2B为图2A的横向剖面立体示意图。 

其中：1-支撑架，2-漏斗，3-开合器，4-压力传感器，5-玻璃管，6-多孔薄片，7-进/排液敞口容器，8-滑轨，9-封口装置，10-可伸缩软管，11-进/排液管，12-完全润湿液输 液泵，13-第一探针液体输液泵，14-第二探针液体输液泵，15-第三探针液体输液泵，16-数据线，17-计算机，18-进料口，19-填液口，20-进液口。 

具体实施方式

实施例1： 

图1A为本发明的一优选实施例的侧面示意图。如图所示，1为装置的支撑架，在其顶端排布有4个孔以固定漏斗2、开合器3和压力传感器4，压力传感器4固定有玻璃管5，玻璃管5下端封有多孔薄片6，其中，开合器与漏斗2的下口相连，通过敞开与关闭以控制漏斗内的颗粒进料(漏斗2，开合器3，压力传感器4，玻璃管5的具体连接方式及运作原理请参阅附图1B)。支撑架1的内部安装有进/排液敞口容器7，侧壁固定有滑轨8，进/排液敞口容器7通过滑轨8与支撑架1相连，进/排液敞口容器7下端连接了可伸缩软管10，并用封口装置9控制两者连接处的开合。进/排液管11固定于支撑架1下端，并与可伸缩软管10相连，进/排液管11另一端分别与完全润湿液输液泵12、第一探针液体输液泵13、第二探针液体输液泵14、第三探针液体输液泵15相连，四个输液泵整合于支撑架1外部。以上装置通过数据线16与开合器3、压力传感器4、滑轨8、封口装置9、完全润湿液输液泵12、第一探针液体输液泵13、第二探针液体输液泵14、第三探针液体输液泵15、计算机17相连。 

在该实施例中，每组接触角测量装置包含一个漏斗、一个开合器、一个压力传感器、一个玻璃管、一个多孔薄片、一个进/排液敞口容器、滑轨若干、软管若干、一个输液泵，现以漏斗2、开合器3、压力传感器4、玻璃管5、多孔薄片6、进/排液敞口容器7、滑轨8、软管10、完全润湿液输液泵12为单组测量装置进行举例说明。在测量时，计算机17发送指令至开合器3，开合器打开，样品进入玻璃管5，引起的重量变化被压力传感器4记录并反馈至计算机17，直至达到目标质量，计算机17发送指令使开合器3关闭，计算机17发送指令使输液泵12将完全润湿液输入容器7，计算机17发送指令使滑轨8运动，使容器7缓慢上升，当液面与多孔薄片6接触后，压力传感器4信号发生变化，计算机17迅速发出指令使滑轨8停止运动，此时液体开始稳定进入样品，计算机17记录压力传感器4的信号变化，信号恒定或开始减小时，计算机17发出指令使软管10的封口打开，排出废液。实际测量时，图1A中的四组测量装置同时运行，以达到多通量的目的。测量完毕后，计算机17根据公式(9)处理与完全润湿液输液泵12相连的传感器的数据(重量随时间的变化m-t)，计算出填料常数C，之后处理与第一探针液体输液 泵13、第二探针液体输液泵14、第三探针液体输液泵15相连的传感器的数据(重量随时间的变化m-t)，结合填料常数C计算出第一探针液体输液泵13、第二探针液体输液泵14、第三探针液体输液泵15中的三种探针液体的接触角θ，将接触角数据代入公式(8)解出表面自由能参数以上求解过程通过计算机17中的软件自动计算。 

请参阅图1B，本发明的测量粉体/颗粒表面自由能参数的多通量装置的进样器、压力传感器等的局部立体示意图，压力传感器4将玻璃管5套住，玻璃管5的重量变化将被压力传感器4测量并传入计算机17进行处理，玻璃管的重量变化分为四个阶段：一、开合器3开合状态不断切换，使颗粒分批进入玻璃管5，引起重量的逐步变化，压力传感器4反馈该信号至计算机17，直至反馈信号达到预设目标，计算机17发出指令使开合器3关闭，进料结束。二、进料后，液体与玻璃管5接触前，压力传感器4反馈信号无变化，当液体上升与玻璃管5接触，玻璃管5内进入液体，引起重量变化，压力传感器4反馈该信号至计算机17，计算机17发出指令固定液面。三、液体进入玻璃管5中引起持续的重量变化，压力传感器4反馈该信号至计算机17进行数据处理，计算表面自由能参数。四、液体在玻璃管中达到饱和，或由于溶解等原因开始回流，产生重量的恒定或减小，压力传感器4反馈该信号至计算机17，计算机17发出指令开始排液，测量结束。玻璃管5可从压力传感器4中拆卸，以进行人工清洗。 

实施例2： 

图2A为本发明的另一优选实施例的立体示意图，该实施例的参数输入、过程控制、数据处理及结果输出由位于柱状支撑架1外部侧壁的计算机面板17完成，进料口18分布于支撑架1顶端以取代漏斗2，填液口19可为输液泵补充液体。 

图2B为图2A的横向剖面立体示意图，进液口20为填液口19的细节部分，进料口18、压力传感器4和玻璃管5的工作原理和连接方式与图2相同，测量装置的分布由并排分布改为环状分布于柱状支撑架内部侧壁。罐体21连于设备内部，将每个玻璃管隔离，形成液槽，对应图1A实施例中的进/排液敞口容器7、滑轨8、伸缩软管10的升降功能，优化液面升降方式；支撑架底部形成封闭空间，用以存放输液泵，实现了对图1A实施例中的完全润湿液输液泵12、第一探针液体输液泵13、第二探针液体输液泵14、第三探针液体输液泵15的由外置转为内置的集成优化。 

在该实施例中，每组接触角测量装置包含一个进料口、一个压力传感器、一个玻璃管、一个进液口、一个导管、一个输液泵、进/排液管若干，现以进料口18、压力传感器 4、玻璃管5、进液口20、导管10、完全润湿液输液泵12、进/排液管11为单组测量装置进行举例说明。完全润湿液从进液口20进入导管10，最终通过完全润湿液输液泵12缓慢输入玻璃管5下方的液槽中，液槽中的液体缓慢上升直到与玻璃管5下端接触，引起重量变化，压力传感器4反馈信号至图2A计算机面板17，图2A计算机面板17发出指令时输液泵停止输液，此时液体开始稳定进入样品，压力传感器4信号恒定或开始减小时，计算机面板17发出指令使完全润湿液输液泵12抽液，并将废液从进/排液管11的排液管排出。实际测量时，图2B中的至少4组测量装置同时运行(实施例2装置的测量装置组数由最终设计决定，以4组、8组、12组等为宜)，以达到多通量的目的。图2A计算机面板17记录压力传感器4的变化，同时结合其他传感器的数据，计算出表面自由能参数，计算过程与图1A实施例的计算过程相同，计算结果在面板17上显示。 

由上述可知，本发明提供一种快速测量粉体/颗粒表面自由能参数的多通量装置，通过压力传感器与其他装置联用，以快速自动进样，通过多组装置同时运行，以快速完成完全润湿液及探针液体的测量工作，并利用计算机进行快速计算，从而达到快速测量粉体/颗粒表面自由能参数的目的。 

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非用来限定本发明的权利范围，凡依本发明权利要求所述的形状、构造、特征及原理所为之均等变化与修饰，均应包括在本发明的权利要求内。 

Claims (2)

1.一种测量粉体/颗粒表面自由能参数的多通量装置，其特征是该装置包含支撑架，支撑架上端开有多个进料口，每个进料口下端设置有开合器，控制进料口的张开与封闭；进料口下端对应有玻璃管，每个玻璃管上半部分套有压力传感器，玻璃管下方设置有进/排液敞口容器；进/排液敞口容器下端与进/排液管相连；进/排液管与输液泵相连；开合器、压力传感器、输液泵和排液管都计算机相连，实现装置的自动运行与数据处理。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征是支撑架上端开有至少4个进料口；对三种探针液体和一种完全润湿液体进行同时测量，实现多通量。