在工业应用中，如提高石油采收率(EOR)、药剂学或化妆品中，往往需要在水介质中调动和运输疏水物质。理想的方法是形成微乳液，如热力学稳定的分散体系。当试图合成这种混合物时，水与疏水相之间的界面张力(IFT)值范围可从原料的50 mN/m到成功制备微乳液低至10‑5 mN/m。 为了寻找正确的成分，使用一种涵盖较宽范围IFT数值的测量仪器是有帮助的。
在这篇应用报告中，我们首先展示使用旋转滴界面张力仪-SDT来测量一个令人印象深刻的宽范围IFT值，从一个简单的体系开始，该体系由水相、油相（环己烷）和增溶物（叔丁醇）组成。从50 mN/m到0.1 mN/m范围内的测试值与用力学法表面张力仪K20公布的数据吻合，且显示出好的重现性。测试延伸到超低界面张力值的组成体系，我们的仪器一样能给出令人信服的数据到小数点后6个数量级，比如降低到2.7×10‑5 mN/m。
背景
旋转滴界面张力仪SDT是通过一滴轻相在重相环绕中的光学图像分析得到的液-液界面张力值。由于离心力，液滴相在填充的、旋转的毛细管中被拉长，而界面张力使液滴保持圆形，离心力和界面张力相互抵消。因此，界面张力值可基于Young-Laplace方程的液滴形状曲率或通过计算Vonnegut方程的液滴直径分析得到。
作为一种先进的仪器，SDT具有一些独特的优点，诸如：它的专利毛细管填充方式、液滴相自动发射功能、ADVANCE软件带来的高度自动化、具有标准尺寸的锥形精确图像效准、以及用于精确液滴轮廓检测的闪光灯照明等。
增溶物对水油界面张力值的影响
增溶物是一种两性小分子，通过增加疏水物质在水中的溶解度，来起到助溶剂的作用。增溶物倾向于降低水和油相之间的界面张力，但与表面活性剂不同，它们在水中不会形成稳定的胶束，是因为它们分子中的疏水部分太小。它们通常用于增加微乳液的稳定性。一个典型的例子是叔丁醇。
实验部分
我们以一个由双蒸馏水为重相，环己烷为轻相，不同比例叔丁醇组成的简单体系为研究对象。所有化学品均未进一步纯化直接使用。根据文献制备样品混合物，各相之间先预先进行了饱和。用力学法表面张力仪-K20得到的密度和界面张力数据源于同一文献，并可作为支撑信息的一部分。样品组成和文献数据见表1。
界面张力测试使用旋转滴界面张力仪-SDT。温度由与仪器相连的循环水浴控制，设定在20 °C。
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样品名 |
摩尔分数 TBA/water |
轻相密度 [g/cm³] |
重相密度[g/cm³] |
|---|---|---|---|
| 1 | 0.00 | 0.776 | 0.998 |
| 2 | 0.11 | 0.778 | 0.998 |
| 3 | 0.88 | 0.776 | 0.992 |
| 4 | 3.77 | 0.776 | 0.976 |
| 5 | 5.54 | 0.783 | 0.971 |
| 6 | 6.52 | 0.802 | 0.966 |
| 7 | 7.91 | 0.835 | 0.953 |
表1: 参考文献[1, 4]中的样品混合物组成和密度。
表2列出了所有测试样品的界面张力值，以及使用力学法表面张力仪K20测量的文献数据。此外，图2是标准化的SDT和K20界面张力值对TBA在水中的摩尔比例作图比较。两种方法得到的数据很好地一致，而特别在低界面张力值时，SDT测量的标准差远低于K20测量的标准差。实际上，K20的Wilhelmy板法准确性误差0.3 mN/m是测量的界面张力值3倍，这就是为什么对于低界面张力值，旋转滴法比力学法更推荐使用。
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样品名 |
界面张力(SDT) [mN/m] |
界面张力(Wilhelmy板法，K20)，[mN/m]，[1] |
|---|---|---|
| 1 | 46.589 ± 0.096 | 48.8 |
| 2 | 41.740 ± 0.088 | 41.0 |
| 3 | 24.192 ± 0.037 | 24.5 |
| 4 | 7.731 ± 0.058 | 7.3 |
| 5 | 2.475 ± 0.004 | 2.3 |
| 6 | 1.026 ± 0.004 | 1.0 |
| 7 | 0.235 ± 0.009 | 0.1 |
表2: 样品混合物通过SDT（本报告）得到的界面张力值和标准偏差 (N=3-4) 和K20的数据(Wilhelmy板法，文献[1])。参考文献[1] 中板法准确性误差是0.3 mN/m。
结论
液-液界面张力的测量和控制对于工业处理乳化液，尤其是微乳液有着重要意义。我们使用旋转滴界面张力仪-SDT记录了一个简单的水相、油相和助溶液体系的界面张力数据。结果与文献数据非常匹配，同时显示出更小的不确定性。对于另一个微乳液体系，测量了一个10‑5 mN/m范围界面张力值，强调了SDT适用于更宽范围的IFT值。这个超广范围的界面张力测试试验的成功，结合用户友好的操作方式，以及先进的技术特点来得到精确的结果，使使得旋转滴界面张力仪-SDT成为测量超低界面张力时的首选仪器。
参考文献
- [1] A. A. Novikov et al., J Phys Chem C 2017, 121, 16423.
- [2] https://www.kruss-scientific.com/website/zh-CN/know-how/glossary/spinning-drop-tensiometer (accessed December 3, 2018)
- [3] European Patent EP3 090 802 B1, Method and Device for Measuring an Interfacial Tension, priority date 2015-05-08
- [4] pubs.acs.org/doi/suppl/10.1021/acs.jpcc.7b05156, (accessed December 5, 2018)
- [5] B. P. Binks, Ultralow Interfacial Tensions and Microemulsion Formation in Oil-Water-Surfactant Systems 1986, PhD thesis, University of Hull, UK.
