JP2011158456A

JP2011158456A - 毛管上昇方式表面張力測定装置

Info

Publication number: JP2011158456A
Application number: JP2010036608A
Authority: JP
Inventors: Kohei Kosaka; 耕平小坂; Hisanori Masuda; 久則増田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-02-03
Filing date: 2010-02-03
Publication date: 2011-08-18

Abstract

【課題】簡単な構造で使いやすく、少量の液体試料を用いながら良好な精度が得られる表面張力測定装置を低コストで実現すること。
【解決手段】外壁面に表面張力値を読み取るための目盛りを具備し、毛細管内壁面と液体の接触角を限りなく小さくしたガラス製毛細管を用いた、毛細管上昇方式表面張力測定方法による表面張力測定装置であることを特徴としている。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体の表面張力を測定する方式及び装置に関わる。

従来、液体表面張力を測定する方法は、ウィルヘルミ方式、最大法圧方式、ペンダント液滴方式などが知られている。また、下記のようなこれらの技術を応用した出願もある。

特許公開２００１−９９７７２号広報特許公開２０００−１３１２１２号広報特許公開平６−３４１９４１号広報

近藤保著「新版界面化学」三共出版２００１年

上記、特許文献１から特許文献３の表面張力測定方式をはじめとし、現在広く上市されている方式の表面張力測定装置は高精度なセンサ、解析用のコンピュータやソフトウェアを伴う大掛かりな装置であるため、使用するには細かい使用方法の習得を要し、誰もが手軽に測定を行うことが困難であり、価格も高額であるため、製造・販売しているメーカ自体が表面張力という重要な物性値を広く産業に周知させることを阻害している状況に陥っていた。

上記の測定方式を用いた上市されている表面張力測定装置のほとんどは、少なくとも数ｍＬ以上の試料を測定のために要するため、測定対象となる液体試料が、例えば体液のような希少な試料であったり、あるいは高価であるなどの理由により必要量の準備が困難な場合、測定を容易に実現することができないことがあった。

本発明である毛細管上昇方式表面張力測定方法が従う毛細管現象は、下記の数式１が示す通り、毛細管の半径、液体の表面張力、重力、接触角が密接に関係している。

ここで、ｒは毛細管半径、ｈは毛細管上昇高さ、ρは液体密度、ｇは重力加速度、γは液体の表面張力、θは毛細管内壁面と液体の接触角であるが、これら変数の中で毛細管内壁面と液体のθを知る術がないため、θを一定の値にコントロールするための方法を開発することを課題とした。

上記課題を解決するために請求項１の毛細管上昇方式表面張力測定方法は、毛細管内壁面と液体の接触角を限りなく小さくしたガラス製毛細管を用いて、液面上昇高さをもとに表面張力を算出することを特徴とする。請求項２の毛細管上昇方式表面張力測定装置は、請求項１の毛細管上昇方式表面張力測定方法を用いた装置である。また、請求項３の毛細管上昇方式表面張力測定装置は、請求項２のガラス製毛細管の内壁面に光触媒材を塗布して、毛細管内壁面と液体の接触角を限りなく小さくしたことを特徴とし、請求項４の毛細管上昇方式表面張力測定装置は、請求項２のガラス製毛細管の外壁面に目盛りを設け、上昇した液面高さの位置によって表面張力値を読み取れるようにしたことを特徴とする。

本発明の毛細管上昇方式表面張力測定装置は軽量簡単な構造で使いやすく、測定を実施するにあたり複雑な手順や時間、また多量の液体試料も要さず、装置自体の価格も安価なものにすることができる。また光触媒材の効果により毛細管内壁面と液体の接触角を限りなく小さくできるため、精度の良い表面張力測定ができる。

本発明の斜視図本発明の目盛り設置部を説明する正面図本発明を用いて水の毛細管内液面上昇高さを測定した場合の一例を示す図光触媒を塗布していないガラス製毛細管を用いて水の毛細管内液面上昇高さを測定した場合の一例を示す図

以下、本発明の実施例にもとづき実施するための形態を図面を参照しつつ説明する。

図１に本発明の毛細管上昇方式表面張力測定装置の斜視図を示す。

毛細管内を上昇する液体試料と接触する内壁１に光触媒材が塗布されている。

十分な液面上昇高さの読み取り分解能を得られるように一定の高さまで液体試料を上昇させるため、毛細管は測定に供される試料の表面張力値及び密度値によって内径２は０．４〜１．５ｍｍの範囲とし、衝撃などによる毛細管の破損を防止する必要があることから、肉厚３に一定の厚みを持たせるために外径４は４．０〜９．０ｍｍの範囲としている。

測定は装置を手で保持した状態で行われるため、上昇液面位置を手で覆うことで液面上昇高さの読み取りを阻害しないように、上昇液面より上最低５ｃｍ以上の装置保持部を確保できるように、毛細管の高さ５は１０ｃｍ〜２０ｃｍの範囲としている。

測定に必要となる液体試料の最小の体積は、液体試料の毛細管内上昇体積である２πｒｈに等しいため、ピペットなどを用い必要十分量である２〜３滴程度、数μＬの液体試料をシャーレ等の容器に移し入れる。

開口部６をシャーレ等の容器に移し入れた液体試料表面に接触させると、毛細管現象により開口部６より液体試料が入り込み上昇する。

表面張力により液体試料を上向きにつりあげている力と、つり上げられた液体試料の質量に作用する重力とが釣り合い液面上昇が止まったところで液体試料表面から開口部６を引き離す。

図２が示す通り、本発明品である毛細管上昇方式表面張力測定装置は、壁面７に高さをあらかじめ表面張力値に換算した目盛り８が設けられているため、上昇した液面高さに一致したところの値を目視により読み取るという簡易な方法で表面張力を測定することができる。

本実施例では、気温１５℃環境下において、液体試料として純水を用い、内径０．５ｍｍの本発明品５本を用い、それぞれ液面上昇高さの測定を行った。実施した結果を図３に示す。

測定結果図３について説明すると次のようになる。すなわち、液面上昇高さはすべて６０ｍｍ〜６１ｍｍの範囲内に入っており、これら液面上昇高さを表面張力値に換算すると、すべての測定において水の表面張力値を７３．６ｍＮ／ｍ〜７４．８ｍＮ／ｍの範囲内で示している。１５℃において水の表面張力値は７３．５ｍＮ／ｍとして既知であり、内径０．５ｍｍの毛細管内の上昇高さの理論値は５９．９ｍｍであるため、簡便な測定により良好な測定精度を得られることが確認された。

比較例１

光触媒材を塗布していない内径０．５ｍｍのガラス製毛細管を用い、同じく気温１５℃環境下において、実施例１と同じ実験を行い実施した結果を図４に示す。理論値通りの液面上昇高さを下回り、また使用回数に従い値が低下する傾向が認められ、本発明品の効果を裏付ける結果となった。

下記は接触角と表面張力の関係式として広く知られるヤングの式である。

ここで、γ_Ｓは固体の表面張力、γ_ＳＬは固液間の界面張力、γ_Ｌは液体の表面張力、θは接触角を示す。

上記ヤングの式の通り、液体の表面張力が高いほど接触角は大きくなる関係にあるため、実施例１が示す通り、水銀など特殊な液体を除けば最も高い表面張力値を持つ水が理論値通りの高さまで上昇したという結果は、およそあらゆる液体を用いた測定に対し有効であることを示している。

しかし、仮に表面張力値が同じであっても、液体に含まれる極性成分の高低により同じ接触角を示さないケースがある。すなわち、表面張力の低い液体が表面張力の高い液体よりも接触角が大きくなることがある。このことが原因により正確な測定が行えなくなる可能性を検証するための実験として、本発明品による別の実施例を説明する。ただし、測定装置は実施例１と同じ本発明品を用いているため、ここでは説明を省略する。液体試料として、極性成分の高低が異なる液体、ヘキサン、トルエン、アセトン、エチレングリコール、エタノール、１−ブタノールの６種を用いた。測定された液面上昇高さから換算した表面張力値と、用いた液体６種の表面張力の文献値との比較を表１に示す。

表１の結果より明らかなように、極性液体試料、非極性液体試料に対し本発明品が有効であることを示した。

Claims

表面張力測定において、液体と内壁面の接触角を限りなく小さくしたガラス製毛細管を用いて、液面上昇高さをもとに表面張力を算出することを特徴とする毛細管上昇方式表面張力測定方法。
請求項１の毛細管上昇方式表面張力測定方法による毛細管上昇方式表面張力測定装置。
請求項２のガラス製毛細管の内壁面に光触媒材を塗布して、毛細管内壁面と液体の接触角を限りなく小さくした請求項２の毛細管上昇方式表面張力測定装置。
請求項２のガラス製毛細管の外壁面に目盛りが設けられ、上昇した液面高さの位置によって表面張力値が読み取れるように構成された請求項２の毛細管上昇方式表面張力測定装置。