LAUDA Scientific光學接觸角測量儀采用懸滴法測量液體動態表面（界面）張力的優勢如下：

       懸滴法測量動態表面張力的一大特點是懸滴法適用于非常寬廣的動態測量時間范圍：從表/界面形成后的約0.1秒（甚至可低到幾十微秒）起，對表/界面進行時間依賴性的動態測量，測量可持續至幾分鐘，幾小時，幾天，...。雖然在測量短界面壽命極限方面，ZD氣泡壓力法可以測量到更短的界面壽命（約幾毫秒）；但在長時間端，ZD氣泡壓力法只能測量到約幾十到100秒。其它的傳統方法要么根本不適合于動態測量（如吊環法），要么能夠測量的起始時間遲至幾秒到十幾秒左右（如液滴體積法，薄板法）。另外傳統的吊環法和薄板法由于表面活性劑分子容易吸附在其探針表面從而改變其表面的潤濕特性，可能對測量結果造成較大的干擾。

       懸滴法測量動態表面張力的另一大特點在于此方法可以通過對一個液滴從其 “誕生” 時刻起進行持續地測量，一直到預期的或希望的測量時間點為止（surface life/age scanning）。這不但保證了所有的測量數據來自于同一液滴界面，而且測量的時間間隔也可以幾乎隨意地短或長（最短時間間隔只受相機的速度決定，比如1-10ms），大大地提高了獲得的動態曲線 γ(t)的連續性（時間分辨率）和可靠性，而且也使得測量所需時間大幅度地減小。比如測量一條從界面形成開始（0時間），持續到100s（界面壽命）的動態曲線，如果采用傳統的滴體積法或ZD氣泡壓力法，就需要預先選擇/指定幾個測量時間點（比如20個不同的時間點），然后對于每個時間點，通過調節相應的測量參數（如加液或氣流量速率）逐點進行測量，直到所有的時間點測量完畢。這樣的一個測量過程往往需要一個甚至幾個小時，得到的曲線也只能從20個不同的時間點插值而成，而且不同點的表面張力值均來自不同的液滴或氣泡界面（不但表面張力值會發生漂移，而且時間計時上也會有偏差/bias）。同樣的測量如果采用懸滴法來進行，整個測量過程只需要100s，在這段時間內采集的對應于不同時間點的測量點數可以高達成千上萬，而且所有的表面張力值均來自同一個液滴，完全避免了表面張力值和時間計時上的偏差/bias問題。

       在幾乎所有的表面/界面張力測量方法中，懸滴法是最適合用于測量動態表面/界面張力的方法之一，也是能夠測量的時間范圍最廣的方法。其支持的最短表面/界面壽命約從0.03-0.1s開始，最長時間則不受限制。

       在所有的已商業化方法中，目前只有ZD氣泡壓力法可以測量表面/界面形成時間點更早的值，約從0.01s開始，但其能夠測量的最長時間只有100s左右。而且測量一條表面張力-時間曲線所需要的時間比懸滴法長的多，在測量精度上也比不上懸滴法。另外這一方法也不適合用于動態界面張力的測量。

臨界膠束濃度(CMC)是用于測量和表征表面活性劑的重要參數，必須通過實驗來確定。 傳統上采用 DuNoüy 環法或 Wilhelmy 片法來確定表界面張力，然后基于表面界面張力來測量CMC。但無論是 DuNoüy環法或還是Wilhelmy 片法都不適合于測量含有表面活性劑的溶液。

LAUDA Scientific接觸角測量儀發現了測量CMC的新方法，即采用光學懸滴分析法測量臨界膠束濃度(CMC)，LAUDA接觸角測量儀能夠配備CMC擴展模塊，實現光學懸滴法CMC全自動測量。與傳統的基于力學天平法測量 CMC 相比，LAUDA接觸角測量儀提供了完美的全新測量方法和全自動測量設備，功能強大，操作簡單，可應用于科學研究、產品開發和工業生產。 

與傳統測量方法相比，光學懸滴分析法在準確性、可靠性、方便性和對包含各種表面活 性劑的溶液的適用性，以及自動化程度方面，都具有明顯的優勢:

1) 較高的絕對和相對精度

2) 非常廣泛的測量范圍：從約 10-3 到幾千 mN/m； 

3) 完美的適用于測量表面和界面張力； 東方德菲知識分享 

4) 全自動、無需監測即可完成測量； 

5) 可暫停、中斷，并繼續測量； 

6) 終點濃度在測量完成后仍可擴展； 

7) 適用于各種表面活性劑； 

8) 一次測量即可確定靜態 CMC 以及動態 CMC。

       在當前市場上提供的所有測量方法中，懸滴法最適合用于對含有表面活性劑組分的體系進行表面張力值的測量，所以也是最適合用來進行臨界膠束濃度(CMC)測量的方法。

       德國勞達公司（ Lauda Scientific）研發的基于懸滴法的全自動CMC測量法，不但方法的適用性和測量精度要超過傳統的基于測力的天平法，而且更在自動化程度上也要勝過這些傳統的方法。另外，通過單次測量，不但可以得到傳統的基于平衡值的CMC值，而且可以獲得完整的動態CMC-時間依賴曲線。

表面張力是液體表面任意兩相鄰部分之間垂直于它們的單位長度分界線相互作用的拉力。而動態表面張力是沒有明確釋義的非專有名詞。各個行業對動態表面張力的理解和需求都有不同，有的是表面張力隨時間的變化、有的是表面張力隨氣泡壓力的變化、有的是表面張力隨濃度的變化等等。比如石油行業大多采用以下第2種，偶爾采用以下第1種：

1、動態表面張力可以理解為隨時間變化的表面張力，比如白金板法測表面張力或白金環法測表面張力的測量曲線的橫軸都是時間。

2、動態表面張力可以理解為液體-空氣或液體-液體在6000轉/分鐘~10000轉/分鐘高速旋轉下的表界面張力，比如旋轉滴法測超低界面張力。

3、動態表面張力可以理解為液體從平針頭緩慢擠出、形成液滴至滴落的過程，其中將落未落狀態也就是懸滴法測表面張力。

4、動態表面張力可以理解為在液體中從1個泡/秒到20個泡/秒、打出氣泡的速度不斷加速，液體表面張力的變化，也就是氣泡壓力法測表面張力，曲線橫軸是每秒打出的氣泡數量。

5、動態表面張力可以理解為不同的表面活性劑遷移到新的界面需要的時間不同，在表面活性劑的遷移過程中，表面張力是在不斷變化。例如噴墨打印機的打印頭噴墨到紙張上只需要十幾毫秒(或更短時間)，汽車漆噴涂到工件上或乳膠漆滾涂到墻面上可能需要幾十到幾千毫秒。

6、動態表面張力可以理解為自動測定一系列不同濃度表面活性劑溶液的表面張力，同時記錄γ-c（濃度）曲線，通過擬合曲線，自動判別拐點并計算出此體系中表面活性劑的臨界膠束濃度CMC。用表面張力與濃度的對數作圖，在表面吸附達到飽和時，曲線出現轉折點，該點的濃度即為CMC。表面活性劑水溶液的表面張力開始時隨溶液濃度增加而急劇下降，到達一定濃度（即CMC）后則變化緩慢或不再變化。因此常用表面張力-濃度對數圖確定CMC。表面活性劑分子在溶劑中締合形成膠束的Z低濃度即為臨界膠束濃度，曲線橫軸是濃度。

（來源：上海中晨數字技術設備有限公司）

接觸角測量儀采用懸滴法進行動態表面張力測量尤其適合研究表面活性劑體系：不但可以考察表面活性劑的擴散速度，而且可以通過 “surface life/age scanning 液滴壽命” 測量模式完整地測繪出所考察體系的 “表面張力γ - 表面活性劑濃度c - 界面時間/壽命t” 三維拓撲關系圖，γ(c,t)，從而進一步確定體系臨界膠束濃度CMC隨界面壽命的時間依賴關系，CCMC(t)。

懸滴法測量動態表面張力有二大特點：

特點一 懸滴法所適用的動態測量時間范圍廣：從表/界面形成后的約0.1秒（甚至可低到幾十微秒）起，對表/界面進行時間依賴性的動態測量，測量可持續至幾分鐘，幾小時，幾天...。雖然在測量短界面壽命極限方面，ZD氣泡壓力法可以測量到更短的界面壽命（約幾毫秒）；但在長時間端，ZD氣泡壓力法只能測量到約幾十到100秒。其它的傳統方法要么根本不適合于動態測量（如吊環法），要么能夠測量的起始時間遲至幾秒到十幾秒左右（如液滴體積法，薄板法）。另外傳統的吊環法和薄板法由于表面活性劑分子容易吸附在其探針表面從而改變其表面的潤濕特性，可能對測量結果造成較大的干擾。

特點二 在于此方法可以通過對一個液滴從其 “誕生” 時刻起進行持續地測量，一直到預期的或希望的測量時間點為止（surface life/age scanning）。這不但保證了所有的測量數據來自于同一液滴界面，而且測量的時間間隔也可以幾乎隨意地短或長（最短時間間隔只受相機的速度決定，比如1-10ms），大大地提高了獲得的動態曲線 γ(t)的連續性（時間分辨率）和可靠性，而且也使得測量所需時間大幅度地減小。比如測量一條從界面形成開始（0時間），持續到100s（界面壽命）的動態曲線，如果采用傳統的滴體積法或ZD氣泡壓力法，就需要預先選擇/指定幾個測量時間點（比如20個不同的時間點），然后對于每個時間點，通過調節相應的測量參數（如加液或氣流量速率）逐點進行測量，直到所有的時間點測量完畢。這樣的一個測量過程往往需要一個甚至幾個小時，得到的曲線也只能從20個不同的時間點插值而成，而且不同點的表面張力值均來自不同的液滴或氣泡界面（不但表面張力值會發生漂移，而且時間計時上也會有偏差/bias）。同樣的測量如果采用懸滴法來進行，整個測量過程只需要100s，在這段時間內采集的對應于不同時間點的測量點數可以高達成千上萬，而且所有的表面張力值均來自同一個液滴，完全避免了表面張力值和時間計時上的偏差/bias問題。

動態速度錄像模式，結合高精度自動注射泵，高速度相機，和全自動錄像分析計算功能以及全輪廓懸滴分析法，以上這些條件是接觸角測量儀懸滴法測量動表面張力必不可少的條件。

       表面張力值反映的是分子從一液體的體相轉移到表面層后，其（相較于處在體相時）所擁有的額外能量。這一額外能量與表面層的當前狀態緊密相關，后者包括分子的組成/分布/排列/取向等。當一新的表面從開始形成到到達一相對平衡的穩定狀態需要一定的時間，對于單組分的液體，涉及的往往只是表面層分子的分布、排列和取向，而這個過程一般可以在瞬間內完成。但是對于多組分的液體（如溶液/含有表面活性劑的溶液），體相中的不同組分首先需要通過擴散到達表面層以下的過渡區域，然后再通過表面吸附過程進入表面層。在表面層，不同組分的分子還需要經歷分布/排列/取向等過程，以ZZ到達相對穩定的平衡狀態。取決于液體所含的組分的屬性（分子量/化學結構/構型/溶液粘度等），這一整個過程可以在幾毫秒內完成，也可以持續幾秒、幾分、幾小時、甚至幾天。所以表面層的狀態是一時間函數，反映這一狀態的表面張力一般都表現出隨時間而變化的動態特性，這一時間依賴性也被稱為動態表面張力（dynamic surface tension）。通過對一體系動態表面張力的測量，可以獲得與分子擴散、分子在表面層的分布/排列/取向等動態過程有關的速度/時間參數。

        臨界膠束濃度(CMC)是用于測量和表征表面活性劑的重要參數，必須通過實驗來確定。所有測量CMC的方法中，基于表面界面張力測量CMC的方法是常見的一種。傳統上，采用DuNoüy環法或Wilhelmy片法來確定表界面張力，但無論是DuNoüy環法或Wilhelmy片法都不適合于測量含有表面活性劑的溶液。Wilhelmy片法遇到的問題是表面活性劑分子會吸附在Wilhelmy板金屬(通常是鉑金)表面上，這會導致明顯的測量誤差，甚至可能會影響溶液中表面活性劑的濃度。DuNoüy環法原則上僅適用于單組分（即純凈）液體，當涉及表面活性劑時，通常難以徹底清潔環，此外，也不可能獲得特定的動態或平衡狀態相對應的表面張力值。

        與傳統測量方法形成鮮明對比，德國LAUDA Scientific光學接觸角測量儀采用光學懸滴分析法測量臨界膠束濃度(CMC)，LSA系列光學接觸角測量儀配備CMC擴展模塊，可實現CMC全自動測量。與傳統的基于力學天平法測量CMC相比，它提供了WM的全新測量方法和全自動測量設備，功能強大，操作簡單，可應用于科學研究、產品開發和工業生產。 

        與傳統測量方法相比，光學懸滴分析法在準確性、可靠性、方便性和對包含各種表面活性劑的溶液的適用性，以及自動化程度方面，都具有明顯的優勢:

1) 較高的JD和相對精度：0.1%（JD）或0.01%（相對）；

2) 非常廣泛的測量范圍：從約10-3到幾千mN/m；

3) WM的適用于測量表面和界面張力；

4) 全自動、無需監測即可完成測量；

5) 可暫停、中斷，并繼續測量；

6) 終點濃度在測量完成后仍可擴展；

7) 適用于各種表面活性劑；

8) 一次測量即可確定靜態CMC以及動態CMC。

( 本文內容得到授權所有者的授權許可。) 

比表面積是指單位質量物料所具有的總面積

1概述

學科：固體礦產工業要求

釋文：比表面積是指單位質量物料所具有的總面積。分外表面積、內表面積兩類。國標單位㎡/g.理想的非孔性物料只具有外表面積，如硅酸鹽水泥、一些粘土礦物粉粒等；有孔和多孔物料具有外表面積和內表面積，如石棉纖維、巖（礦）棉、硅藻土等。測定方法有容積吸附法、重量吸附法、流動吸附法、透氣法、氣體附著法等。比表面積是評價催化劑、吸附劑及其他多孔物質如石棉、礦棉、硅藻土及粘土類礦物工業利用的重要指標之一。石棉比表面積的大小，對它的熱學性質、吸附能力、化學穩定性、開棉程度等均有明顯的影響。

測量：固體有一定的幾何外形，借通常的儀器和計算可求得其表面積。但粉末或多孔性物質表面積的測定較困難，它們不僅具有不規則的外表面，還有復雜的內表面。通常稱1g固體所占有的總表面積為該物質的比表面積S(specificsurfacearea,㎡/g)。多孔物比表面積的測量，無論在科研還是工業生產中都具有十分重要的意義。一般比表面積大、活性大的多孔物，吸附能力強。測定比表面積方法有氣體吸附法和溶液吸附法兩類。

2測試方法

方法提要：比表面積測試方法主要分連續流動法（即動態法）和靜態容量法。

動態法

動態法是將待測粉體樣品裝在U型的樣品管內，使含有一定比例吸附質的混合氣體流過樣品，根據吸附前后氣體濃度變化來確定被測樣品對吸附質分子（N2）的吸附量；靜態法根據確定吸附吸附量方法的不同分為重量法和容量法；重量法是根據吸附前后樣品重量變化來確定被測樣品對吸附質分子（N2）的吸附量，由于分辨率低、準確度差、對設備要求很高等缺陷已很少使用；容量法是將待測粉體樣品裝在一定體積的一段封閉的試管狀樣品管內，向樣品管內注入一定壓力的吸附質氣體，根據吸附前后的壓力或重量變化來確定被測樣品對吸附質分子（N2）的吸附量；

動態法和靜態法的目的都是確定吸附質氣體的吸附量。吸附質氣體的吸附量確定后，就可以由該吸附質分子的吸附量來計算待測粉體的比表面了。

由吸附量來計算比表面的理論很多，如朗格繆爾吸附理論、BET吸附理論、統計吸附層厚度法吸附理論等。其中BET理論在比表面計算方面在大多數情況下與實際值吻合較好，被比較廣泛的應用于比表面測試，通過BET理論計算得到的比表面又叫BET比表面。統計吸附層厚度法主要用于計算外比表面；

動態法儀器中有種常用的原理有直接對比法和多點BET法；

直接對比法

直接對比法，國外此種方法的儀器叫做直讀比表面儀。該方法測試的原理是用已知比表面的標準樣品作為參照，來確定未知待測樣品相對標準樣品的吸附量，從而通過比例運算求得待測樣品比表面積。以使用氮吸附BET比表面標準樣品為例，該方法的依據是有2個：一、BET理論的假設之一在吸附一層之后的吸附過程中的能量變化相當于吸附質分子液化熱，也就是和粉體本身無關；二、在相同氮氣分壓（5%-30%）、相同液氮溫度條件下，吸附層厚度一致；這就是以直接對比法所得出的比表面值與BET多點法得到的值一致性較好的原因；

多點BET法

多點BET法為國標比表面測試方法，其原理是求出不同分壓下待測樣品對氮氣的*吸附量，通過BET理論計算出單層吸附量，從而求出比表面積；其理論認可度相對直接對比法高，但實際使用中，由于測試過程相對復雜，耗時長，使得測試結果重復性、穩定性、測試效率相對直接對比法都不具有優勢，這是也是直接對比法的重復性標稱值比多點BET法高的原因；

動態法和靜態容量法是常用的主要的比表面測試方法。兩種方法比較而言，

1、動態法比較適合測試快速比表面積測試和中小吸附量的小比表面積樣品（對于中大吸附量樣品，靜態法和動態法都可以定量的很準確），

2、靜態容量法比較適合孔徑及比表面測試。雖然靜態法具有比表面測試和孔徑測試的功能，但靜態法由于樣品真空處理耗時較長，吸附平衡過程較慢、易受外界環境影響等，使得測試效率相對動態法的快速直讀法低，對小比表面積樣品測試結果穩定性也較動態法低，所以靜態法在比表面測試的效率、分辨率、穩定性方面，相對動態法并沒有優勢；在多點BET法比表面分析方面，靜態法無需液氮杯升降來吸附脫附，所以相對動態法省時；靜態法相對于動態法由于氮氣分壓可以很容易的控制到接近1，所以比較適合做孔徑分析。而動態法由于是通過濃度變化來測試吸附量，當濃度為1時的情況下吸附前后將沒有濃度變化，使得孔徑測試受限。

靜態容量法

在低溫（液氮浴）條件下，向樣品管內通入一定量的吸附質氣體（N2），通過控制樣品管中的平衡壓力直接測得吸附分壓，通過氣體狀態方程得到該分壓點的吸附量；

通過逐漸投入吸附質氣體增大吸附平衡壓力，得到吸附等溫線；通過逐漸抽出吸附質氣體降低吸附平衡壓力，得到脫附等溫線；相對動態法，無需載氣（He），無需液氮杯反復升降；

由于待測樣品是在固定容積的樣品管中，吸附質相對動態法不流動，故叫靜態容量法；

*標準

國內關于比表面積測試的現行有效*標準約有十幾個，現列舉幾個比較常用的*標準方法：

GB/T19587-2004《氣體吸附BET法測定固態物質比表面積》[1]

GB/T13390-2008《金屬粉末比表面積的測定氮吸附法》

GB/T7702.20-2008《煤質顆粒活性炭試驗方法比表面積的測定》

GB/T6609.35-2009《氧化鋁化學分析方法和物理性能測定方法第35部分：比表面積的測定氮吸附法》

SY/T6154-1995《巖石比表面和孔徑分布測定靜態氮吸附容量法》

國內對于材料比表面積測測試機構有很多家，例如北科大分析檢驗ZX、*鋼鐵材料測試ZX等。

3影響因素

動態法

動態法比表面儀，與其它分析儀器類似，影響其精度主要取決于檢測方法、管路設計和是否具備操作完全自動化。

完全自動化的比表面積分析儀對用戶具備什么價值？

1、符合測試儀器行業的國際標準，同類國際產品全部是完全自動化的，人工操作的儀器國外早已經淘汰。[2]

2、比表面積分析測試其實是比較耗費時間的工作，由于樣品吸附能力的不同，有些樣品的孔徑測試可能需要耗費一整天的時間，如果測試過程沒有實現完全自動化，那測試人員就時刻都不能離開，并且要高度集中，觀察儀表盤，操控旋鈕，稍不留神就會導致測試過程的失敗，這會浪費測試人員很多的寶貴時間。產品實現了完全的自動化，將測試人員從重復的機械式操作中解放出來，大大降低了他們的工作強度，提高了工作效率。

3、人工操作的儀器很大的一個局限性是：不同的測試人員操作時，對于平衡點等數據的判斷會有偏差，這樣很容易引入人為誤差，而自動化操作的儀器，由于整個測試的平衡等條件的判斷都是基于軟件中設置好的標準，這樣能很好保證，雖然是不同測試人員進行的測試，但測試結果的一致性會很好。產品通過實現完全自動化測試，大大降低了人為操作導致的誤差，提高測試精度。

4、人工操作的儀器，由于需要操控的旋鈕比較多，一般對操作人員的培訓需要花費很多的時間，操作人員的熟練操作也會需要較長的一段時間，如果有操作人員離職，會導致新來員工的培訓又需花費很多的時間和精力，既耽誤工作，又浪費公司的資源；自動化的儀器，一般只需要掌握軟件如何使用就可以進行樣品測試，既節約培訓時間，又可以減少公司人員流動導致的再培訓資源浪費。產品通過實現測試過程完全自動化，大大降低公司培訓成本，提高工作效率。

靜態法

以比表面積1m2/g的樣品為例，該樣品0.5g對氮氣的吸附量在BET分壓范圍內在標況下約0.1ml，在測試過程中的吸附環境液氮溫度下的體積約0.03ml；樣品管裝樣部分的剩余體積（也就是背景體積）約在3-5ml左右，要在3-5ml的樣品管體積中準確定量出0.03ml的總吸附量且保證精度達到2%以內，可以算出要求壓力傳感器的精度要達到0.02%以上；但目前進口*的壓力傳感器的精度只有0.1%，而且通常比表面及孔徑分析儀用的壓力傳感器精度為0.15%，也就是說目前*精度的壓力傳感器，即使溫度場理想測定，液氮面理想恒定，環境溫度理想準確條件下，對吸附量確定量的不確定度也只能達到0.003ml，即不確定度達到10%；若對于比表面再小或堆積密度小也就是裝樣量也難以很大的樣品，其準確度就可想而知了。但對于中大比表面樣品，一般吸附量不會那么微小，靜態法的精度很容易保證在2%甚至1%以內便不是問題；

所以在小比表面樣品的測試方面，靜態法儀器測試的誤差相對高精度的動態法儀器的誤差大；靜態法只能通過增加裝樣量來降低誤差，常見的是靜態一般都會為小比表面積樣品配備大容量樣品管，但由于背景體積（吸附腔體積）也隨之增大，所以準確度提高也是有限的；這點是采用靜態法儀器測試比表面積應考慮的因素。

4計算公式

參考國標GB/T24533-2009

放到氣體體系的樣品，其物質表面在低溫下將發生物理吸附。當吸附達到平衡時，測量平衡吸附壓力和吸附的氣體流量，根據BET方程式（1）求出試樣單分子層吸附量，從而計算出試樣的比表面積。

（P/P0）/V(1-P/P0)=(C-1)/(VmC)×P/P0+1/(VmC)

5技術標準

國內關于比表面積測試的現行有效*標準約有十幾個，現列舉幾個比較常用的*標準方法：

GB/T 19587-2004 《氣體吸附BET法測定固態物質比表面積》

GB/T 13390-2008 《金屬粉末比表面積的測定氮吸附法》

GB/T 7702.20-2008 《煤質顆粒活性炭試驗方法比表面積的測定》

GB/T 6609.35-2009 《氧化鋁化學分析方法和物理性能測定方法第35部分：比表面積的測定氮吸附法》

SY/T 6154-1995 《巖石比表面和孔徑分布測定靜態氮吸附容量法》

微流控液滴技術是近年來在微流控芯片上發展起來的一種研究幾微米至幾百微米尺度范圍內微液滴的生成、操控及應用的新技術。微液滴常作為微反應器，實現生化反應、試劑快速混合以及微顆粒合成等，極大地強化了微流控芯片的低消耗、自動化和高通量等優點。本次網絡課堂主要介紹了微流控液滴的動態分析部分如速度場、表面活性劑等知識。