界面張力儀選購指南及技術(shù)要點(diǎn)

本文采用問答的形式對界面張力儀的一些技術(shù)要點(diǎn)、測試原理進(jìn)行了比較粗淺的說明。界面張力測值技術(shù)在很長時(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，希望對用戶有所幫助。

1、界面張力儀與表面張力儀一樣嗎？有何區(qū)別？

通常而言，界面張力儀可以用來測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、表面張力測試和界面張力測試所用的技術(shù)差別非常大。表面張力測試通常采用的技術(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。

2、哪種界面張力儀更適合用于測試含表面活性劑的油水界面張力值？

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值，動(dòng)態(tài)界面張力值等變得非常困難。目前，測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)用來看，白金板法測試效果略好于白金環(huán)法，但測值結(jié)果很容易偏低。如果僅是考察相對值變化或重復(fù)性測試，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，而其他方法均無法有效的實(shí)現(xiàn)飽和處理。懸滴法低可測試界面張力值可達(dá)0.1mN/m，約束停滴法低界面張力測值可達(dá)0.0001mN/m，可適用于很大范圍的測值。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測試。目前僅美國科諾的接觸角儀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)的界面張力測試，其技術(shù)在界面張力測試領(lǐng)域是世界的。

3、選購旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀的要注意哪些方面？

旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀的選購主要應(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Kruss）。從效果來看，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試需求所決定。如中國大部分地區(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)對于儀器的要求就相對較高。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)還是直流無刷電機(jī)。直流有刷電機(jī)的優(yōu)勢在于成本低，但是缺點(diǎn)非常明顯，控制精度不高，壽命比較短；但直流無刷電機(jī)由于取消了碳刷，壽命會(huì)非常長，讀值精度真正可達(dá)0.1RPM，但價(jià)格相對比較高。

（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：一端開口的樣品管，兩端開口自密封樣品管和動(dòng)態(tài)密封樣品管。從技術(shù)上來看，動(dòng)態(tài)密封樣品管技術(shù)，一端開口樣品管差。但從實(shí)際應(yīng)用來看，兩端開口樣品管更易清洗（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，該算法由美國科諾授權(quán)上海梭倫在中國地區(qū)申請了發(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試方法，這種方法需要結(jié)合樣品管粗細(xì)配合的方法測得，即，不同表面或界面張力值的樣品采用不同的內(nèi)徑的樣品管測試，并盡量形成長比寬大于1.5倍的液滴。此時(shí)，無須Young-Laplace方程擬合技術(shù)也可以完成測試。但這種方法對于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化的馮格內(nèi)特法對于旋轉(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。

4、高溫高壓旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀與高溫高壓接觸角和界面張力儀的區(qū)別主要有哪里？

高溫高壓旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀可以完成超低界面張力測試，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），目前無法用于測試低于0.0001mN/m的界面張力值。在具體應(yīng)用時(shí)，兩者各有優(yōu)勢。高溫高壓接觸角儀在應(yīng)用時(shí)，特別適用于測試潤濕角反轉(zhuǎn)應(yīng)用，但目前提供多點(diǎn)測試技術(shù)的高溫高壓接觸角儀僅僅只有美國科諾工業(yè)有限公司的儀器。如果僅提供單點(diǎn)測試，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)勢在于可以測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)拍攝下來界面張力的變化，就可以測得相應(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）。

5、界面張力儀測試油水界面張力時(shí)是否可以控制溫度？

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。具體可與美國科諾或上海梭倫的應(yīng)用工程師。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。

6、界面張力儀采用懸滴法測試油水界面張力需要哪些配件或特殊的裝置？

采用懸滴法測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)，需要采購相應(yīng)的恒溫樣品池或控溫機(jī)構(gòu)。

7、界面張力儀中懸滴法及停滴法測試油水界面張力的軟件算法有哪些？

目前，懸滴法和停滴法測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。

8、如何標(biāo)定光學(xué)法接觸角和界面張力儀以及旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀？

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)定石的精度高。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。

9、界面張力儀測試是否需要清洗測試樣品管和針頭？如何判斷是否清洗干凈？

界面張力儀采用懸滴法或停滴法測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。后再用蒸餾水測值判斷是否清洗干凈。

10、懸滴法及停滴法界面張力儀測值時(shí)注意事項(xiàng)有哪些？

（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試完表面活性劑后的清洗。

（4）停滴法在測試界面張力值時(shí)并非標(biāo)準(zhǔn)的接觸角測試的停滴法，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)盡量控制溫度后測試油水界面張力值。

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