JPH06510855A - 表面張力センサー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 表面張力センサー 本発明は液体用表面張力測定装置に関し、更に詳しくは、水平面又は僅かに傾斜 した平面上の液体の表面張力測定に関する。この本発明に係る装置は特にコーテ ィング装置の傾斜面上の写真乳剤又は界面活性剤溶液の表面張力を測定するのに 採用される。

ウイルヘルＥ　−（Ｗｉ　１ｈｅｌｎ＋ｙ）法として知られている公知の方法に より、静的液体の表面張力は研究すべき表面を通過する非常に薄い長方形の白金 ブレードによって測定される。この白金ブレードをワイヤーの一端に吊り下げ、 液体表面と接触させる。ここで参照する図１は、ウィルヘルミー法を行う装置を 図解的に示す。この装置は白金ブレードｌを含み、この白金ブレードの寸法は、 例えば、幅２　ｃｍ、高さＩＣ１１及び厚さ０．０１ｃｍであってよい。このブ レードはワイヤー３によって天秤２又は歪ゲージに接続されている。

次に、このような表面張力センサーの操作を支配する理論を要約する。完全に湿 潤性の白金ブレードｌが液体４の中に浸漬しているときには、このブレードは毛 管力Ｓ及び浮力ＰＡを受けている。この浮力は浸漬された体積と密度の積に一致 する。静的液体の従来の表面張力測定の場合に、ブレードの浸漬高さはゼロであ り、それ故にＰＡ力はゼロである。このブレードを液中から取り出すために、垂 直で外に向かう力ｆがブレードの外周及び液体表面張力σに比例して加えなくて はならない。この最後のパラメーターは液に依存し、純粋の液体については所定 の温度で一定である。界面活性剤溶液について、このパラメーターは濃度及び表 面令（ａｇｅ　ｏｆ　５ｕｒｆａｃｅ）に依存している。力の平衡を支配する式 は下記の通りである。

Ｆ＝Ｓ−ＰＡ　（１） ここで５＝ｃｒ・Ｌ−ｃｏｓθ＝ｍ−ｇ　（２）ただし、θは、液体／固体濡れ 角度である。

完全に濡れ性のセンサーの場合、固体／液体濡れ角度はゼロに等しい。

そこで、ｃｏｓθ＝１を得る。

ｍはダラムでの脱平衡（ｄｅｓｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ）の補償質量である。

ｇは重力加速度：　９．８１　Ｘ　１０−’Ｎ−ｓ　−’ｔ’ある。

σはダイン・Ｃｍ　−’での表面張力である。

Ｌはメニスカスか捕らえられる国での長さ、即ち、液体と接触している板部分の 外周である。

このようにして、下記の式か得られる。

この方法は、静的液体の表面張力測定を扱うときには完全に満足できるか、水平 面又は僅かに傾斜した平面上の流液の表面張力測定については、この測定は実際 にはブレードに作用する流体抵抗（ｄｒａｇ　ｆｏｒｃｅ）のために誤差があり 、問題を生じる。このことは、ｔｉｌｅｊｏｕｒｎａｌ　ｄｅ　１’　１ｎｄｕ ｓｔｒｉｅ　Ｂｅｌｇｅ　（１９５８年６月２３日、５９７〜６１４頁）に発表 されたＲ、　ＤＥＦＡＹ及びＪ、　ＨＯＭＭＥＬＥＮの論説に示された。この６ ０２頁のパラグラフ６には、上昇力及び流体抵抗は、表面張力の等しい近似測定 を得ることかできるために常に非常に重要であることが述へられている。

同し問題を生じるその池の公知の方法によれば、長方形状のブレードを環（リン グ）により置き換えた。

「一つの装置でのｌ０００°Ｃ以下の温度での密度及び表面張力の精密な測定（ Ｐｒｅｃｉｓｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ａｎｄ　５ ｕｒｆａｃｅ　ｔｅｎｓｉｏｎａｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｕｐ　ｔｏ　１ ０００℃ｉｎ　ｏｎｅ　ａｐｐａｒａｔｕｓ）ｊ　と題する文献（Ｒｅｖｉｅｗ 　ｏｆ　５ｃｉｅｎｔｉｆｉｃ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ　：　３１巻、１号） には、本発明により使用される形式の装置が記載されている。しかしながら、こ の文献のどこにも、このような液体流のための装置を、液体の動的表面張力を測 定するために使用することについては記載されておらず、また示唆もされていな い。

従って、本発明の目的は、水平面上又は僅かに傾斜した平面上の流液に特に適合 した、液体の表面張力を測定することができる装置を提供することである。

本発明の他の目的は下記の詳細な開示において明らかになるであろう。

本発明の目的は、液体流の動的表面張力を測定するために、カを測定することが できる手段及び液体と接触するプローブがらなり、該プローブが適当な部材によ ってカを測定する手段に吊るされており、そしてその少なくとも液体と接触して いる部分に於いて、湿潤性円柱（ｗｅｔｔａｂｌｅ　ｃｙｌｉｎｄｅｒ）で形成 されており、その外周がいがなる凹面部分も示さず、断面の等圧中心（ｉｓｏｂ ａｒｉｃｅｎｔｅｒ）と外周上の全ての点との間の距離が３順より短く、外周上 の点から等圧中心までの最大距離と該外周上の点から等圧中心までの最小距離と の比率が２より小さいか又は等しい装置を使用することによって達成される。

下記の詳細な開示において、図面を参照する。

図１は、先行技術に開示されているような表面張力センサーを示す。

図２は、本発明に係る表面張力センサーを示す。

図３Ａ〜３Ｂは、本発明で使用されるような測定プローブの二つの態様を示す。

本発明によれば、図２に示す表面張力測定装置は、カを測定することか可能な手 段５から主としてなり、手段５の拡幅は比較的小さく、例えば、５Ｘ１０−’〜 ３０Ｘ　１０−’Ｎに変えることができる。一つの態様によれば、この測定装置 は型Ｃａｈｎ”２０００の電子天秤又は５ｃｈｅｎｃｋ”型の従来のカメ−ター （ｆｏｒｃｅ　ｍｅｔｅｒ）からなる。これらの装置は当核技術分野で公知であ り、更に詳細に開示する必要はない。

この装置にはまた、カメ−ター５に吊るされた測定プローブ６が含まれており、 この測定プローブは、図示する態様によれば、僅かに傾斜している平面７上を流 れる液体９と接触するようになっている。好ましくはこの傾斜は４５°よりも小 さい。良好な結果は２０°より小さい傾斜角度について得られた。この装置はま た水平面上を移動する液体の表面張力を測定するのにも使用されることは明らか である。それは移動するウェブ上に塗布される場合の写真乳剤の表面張力を測定 するような場合である。本発明に係る測定プローブ６は、その少なくとも液体と 接触している部分に於いて、その断面の外周かいかなる凹面部分も示さず、断面 の等圧中心と外周上の全ての点との間の距離か３ｍｍより短く、外周上の点から 等圧中心までの最大距離と該外周上の点から等圧中心までの最小距離との比率か ２より小さいか、又は等しい湿潤性円柱からなっている。有利には、プローブは 回転円柱（ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎ　ｃｙｌｉｎｄｅｒ）からなり、その直径は５ 皿より小さいか、又は等しく、好ましくはｌ−のオーダーのものである。実際に は、この円柱は液体流に関して対称軸を示すことが好ましい。事実、このことは 測定を容易にしくノイズを減少させ）、最小点て流体抵抗を減少させる。この点 は後で更に詳細に明らかになる通りである。

さて、測定される力についてこの装置を検討する。カメ−ターにより検知された 力Ｆには、水平に対して角度αで傾斜している平面の場合、３個の主要成分、即 ち、表面張力のための力Ｆ８のプローブ軸に従う成分に相当する力、液体流のた めの流体抵抗ＦＤのプローブ軸に従う成分を示す力、浮力のための力ＦＬのプロ ーブ軸に従う成分に相当する力が含まれる。

平衡状態では、下記の式が得られる。

Ｆ　”　Ｆ　５ｃＯ３α＋Ｆｏｓｉｎα−Ｆ　ＬＣＯ３α浮力（上向きの力）に 直接接続される力ＦＬは、流速（ｆｌｏｗｖｅｌｏｃｉｔｙ）に垂直であり、浸 漬されている体積並びに流速に比例する。

本発明者等の測定に於いては、本発明者等は、浸漬されている体積は無視でき、 従ってＦＬも無視できると考える。

流体抵抗に関しては、これはプローブ断面に依存するが、液体の粘度及び液体の 表面速度にも依存する。

表面速度Ｖを有する流体と接触する、半径ｒを示す円柱形固体の場合には、非圧 縮性流体媒体中の（固体の先縁と後縁との間の圧力差のための）固体の流れに対 する表面抵抗に関する力Ｆ０の値は下記の式により与えられる。

ここで、ρは体積質量であり、Ｓは主フレーム表面積、即ち、速度に垂直な平面 上への固体の投影表面積であり、■は液体の表面速度であり、Ｃは形状係数で流 体粘度、固体形状及び流体速度に依存する。Ｃのこの値は、単純な幾何学的形状 についてのレイノルズ数に依存する。液体中の直径２ｒを有する回転円柱の場合 に、その速度はその母面に垂直であり、レイノルズ数が５０〜２０００００で変 わるときのＣの値は１，２であり、レイノルズ数は流速／粘度比に等しい。

νは流体粘度である。

ｒ　＝　０．１ｃｍ、　Ｖ　＝２０ｃｍ　・ｓ−’、ｏ−１、シ＝１０−’Ｐで ある場合に、Ｒ＝２００、ｃ＝１．２及びＦｔ、　＝７．５　ｘｌＯ−’Ｎが得 られる。

流体の流れ面か１５°傾斜している場合に、流体抵抗のプローブ軸に従う成分は ７．５ｓｉｎ１５°、即ち０．２５ｘ　１０−’Ｎである。

センサーにより測定される力は５Ｘ１０−’Ｎ〜３０Ｘ　１Ｏ−６Ｎで変わるの て、流体抵抗は無視てきると考えることができる。即ちセンサーにより測定され た力Ｆは、表面張力の結果のみであると考えることがてきる。即ち、下記の式の 通りである。

式中、σは測定すべき表面張力であり、分母の因子ＣＯＳαは、角度αて傾斜し ている平面上で、回転円柱の濡れ外周は楕円を形成し、円を形成しないと言う事 実に結び付く。即ち、有利には、プローブか液体に接触するときに表面張力を測 定する。

一つの態様によれば、本発明に係るプローブは直径が１−である白金線からなっ ている。

液体と接触するプローブ末端の側面は、例えば、プローブが完全に濡れるように する粗さを得るために穏和なサンドブラスティングにより微細に研磨されていな くてはならない。

図３Ａは本発明に係るプローブの一態様を示す。このものには少なくともその一 端に、プローブ１２を精密天秤に吊るすようにするフックｌＯか含まれている。

同様に、プローブに液体と接触するプローブの末端から約１ｃｍのところに錘！ ■を取り付けることが好ましい。

この錘Ｉｔは摂動媒体中でプローブを一層急速に安定にする。液体と接触するプ ローブの末端を約ｆａｎの長さに亘って研磨する。

図２の態様に於いて、プローブ１４の一方の末端にはカメ−ターへのプローブの 吊り球１３が含まれる。

同様に、安定性の理由のために、流体の流速は３０ｍ／分より小さいことが好ま しい。

本発明に係るプローブを製作するために他の材料も完全に適している。例えば、 ステンレススチール又はプラスチックを挙げることかでき、これらの材料は、例 えば、これらを少なくとも液体と接触するプローブの末端でサンドブラスティン グにより研磨することによって完全に湿潤性にすることができる。

仮に、この開示に於いて述べた好ましい態様に於いては、プローブか回転円柱か らなっているとしても、他の形状も提供できることは明らかである。例えば、プ ローブは三角形、六角形又は四角形であってもよい。

本発明に係る装置は、表面張力が、純粋な有機液体とは逆に、表面令及び（所定 の温度での）自由表面への界面活性剤拡散速度に依存する、流動界面活性剤水溶 液の表面張力測定に特に適している。

特に、このような装置は、界面活性剤の動的性質に関する研究、そして拡張して 写真用コーティング装置のような全てのコーティング装置用に完全に適している 。

、、、、、−、、、、Ｎｓ　ＰＣＴ／ＥＰ　９２１０２１５８国際調査報告

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. １．力を測定することができる手段及び液体と接触するプローブからなり、該プ ローブが適当な部材によって力を測定する手段に吊るされており、そして少なく ともその液体と接触している部分に於いて、湿潤性円柱で形成されており、その 外周がいかなる凹面部分も示さず、断面の等圧中心と外周上の全ての点との間の 距離が３ｍｍより短く、外周上の点から等圧中心までの最大距離と該外周上の点 から等圧中心までの最小距離との比率が２より小さいか、又は２に等しい装置の 、液体流の動的表面張力を測定するための使用。
2. ２．該液体流が傾斜した平面上にあり、その傾斜が４５°よりも小さい、請求の 範囲第１項記載の使用。
3. ３．該傾斜が２０°よりも小さい請求の範囲第２項記載の使用。