特别为测量表面张力形成液－液界面的方法和设备

摘要

本发明指导在基本上不混溶的第一液体和第二液体之间形成界面，特别用于测量所述界面处的表面张力的方法和设备。根据本发明，一定体积第一液体添加到第一井孔，所述第一井孔具有闭合底部和壁部以及位于水平表面内的上开口。一定体积第二液体添加到第二井孔，所述第二井孔例如呈现孔或套筒形式，所述孔或套筒具有上井孔开口和下井孔开口，所述下井孔开口以密封关系支座在所述水平表面上，但是所述表面以与其滑动啮合的形式闭合所述下开口。所述第二井孔的下开口与所述第一井孔的上开口对准，从而将所述一定体积第二液体沉积到所述一定体积第一液体表面顶部，从而形成希望的液－液界面。

说明书

技术领域

本发明基本上涉及在两种基本上不混溶的液体之间形成界面，特别用于测量所述界面处的表面张力目的的方法。本发明还涉及形成这种界面的设备以及测量所述界面处表面张力的装备。本发明可以用来测量两种基本上不混溶的液体诸如油和含水溶液之间的表面张力和乳化特性。本发明还可以用来例如确定表面活性物质在所述界面处的表面张力上的作用。对于测量表面活性剂和洗涤剂在油-水界面处的油性或脂肪性物质上的作用来说，本发明特别有用。

背景技术

例如可以通过测量施加在液体和气体通常为空气之间界面上的探针上的力，来测量所述液体的表面张力。这种探针可以呈现薄铂片形式诸如Wihelmy片，其置于所述界面。探针的替代构造呈现小直径金属导线形式，例如du Nouy环。

当粘附到所述探针的液体量变化时，表面张力变化明显。当液体表面张力降低时，粘附到所述探针的量线性下降，反之亦然。粘附液体在所述探针上施加垂直力，可以用微天平来测量该力。测量空气/水界面处表面张力的方法在WO02/055996，题为“Method for measuring the surface tension of aaqueous solution”和WO2004/025277，题为“Method for surface tensionmeasurement”中有所述及，它们包含在此作为参考。

除了在液体和气体诸如空气之间的界面处测量表面张力外，还需要测量基本上不混溶的液体之间的表面处的表面张力以及表面张力的变化。例如对于建立表面活性剂和洗涤剂的乳化特性来说，这些信息很重要。在研制洗涤剂时，关键是知道例如在洗涤操作中，该洗涤剂乳化或溶解脂肪或油有多迅速或者多有效，即多快或多有效地去除油类物质。可以通过测量两种液体诸如油和包含所述洗涤剂的含水溶液之间的界面处表面张力的变化来度量这种效果。

但是，问题涉及在液体之间正确形成界面，该界面允许迅速正确并敏感地测量所述表面张力及其任何变化。还希望研制一种系统，其允许在大规模或筛选的基础上，迅速有效地形成界面并测量表面张力，从而例如用于产品研制，诸如用于评估各种产品的表面活性，所述产品通常溶于待评估液体其中之一。对于研究液体之间动力学有关的研发来说，所述系统也是一种有用的工具。

发明内容

在其最宽泛的方面，本发明涉及在基本上不混溶的第一和第二液体之间形成界面的方法和设备，所述方法包括步骤：向第一或下井孔添加一定量第一液体，所述井孔具有闭合底部和壁部或者从所述底部延伸以限定上井孔开口的部分；向第二或上井孔添加一定量第二液体，所述第二井孔具有壁部或从所述上井孔开口向下井孔开口延伸的部分，所述井孔下开口支座在水平表面上，所述水平表面形成所述第二井孔下开口的闭合底部；相对于彼此移动所述上井孔和所述水平表面，从而打开所述上井孔下开口，以在所述第一井孔与所述第二井孔对准时，提供通道，从而将所述第二液体沉积到所述第一液体的表面上，从而在所述第一和第二液体之间提供界面。

当所述方法用于测量所述界面的表面张力时，所述方法包括额外的步骤：将探针引入所述界面，并测量所述界面的表面张力。

本发明的目的更具体为在基本上不混溶的第一和第二液体之间形成界面的方法，该方法包括步骤：向设置在具有水平表面的主体中的第一或下井孔提供一定体积的第一液体，所述井孔具有闭合底部和壁部或从所述底部延伸以限定井孔开口的部分；向具有壁部或从上井孔开口向下井孔开口延伸的部分的第二或上井孔提供一定量的第二液体，在第一位置时，所述下井孔开口适配成被所述水平表面密封；和相对于彼此从所述第一位置向第二位置移动如此密封的所述上井孔和所述表面，从而将所述上井孔的下开口与所述下井孔的上开口对准，从而将所述第二液体沉积到所述第一液体顶部并在所述第一和第二液体之间提供界面。

本发明的另一个目的是测量基本上不混溶的第一和第二液体之间根据上述方法形成的界面处的表面张力的方法。所用测量表面张力的方法包括额外的步骤：将探针引入如此形成界面并测量该界面处的表面张力。

本发明还涉及一种实施所述方法的设备和装备。根据本发明用来形成所述界面的设备包括具有水平表面的主体，该主体设置有第一或下井孔用来接收一定体积第一液体，该井孔具有闭合底部和壁部或从所述底部延伸以限定井孔开口的部分；和第二或上井孔，其用于接收一定体积的第二液体，该第二井孔具有壁部或从所述上井孔开口向下井孔开口延伸的部分，所述下井孔开口适配成可被该水平表面密封并可以相对于该水平表面移动，从而为所述第二液体经过所述井孔开口提供通道，以将所述第二液体沉积到所述第一液体表面上。

根据优选实施例，在第一位置时，所述下井孔开口适配成可被所述水平表面密封，如此密封的上井孔和所述主体可以相对于彼此从所述主体的水平表面闭合所述上井孔下开口的第一位置向所述上井孔下开口与所述第一主体内的下井孔上开口对准的第二位置移动。

根据优选实施例，所述下井孔的井孔开口处于所述主体的水平表面内，且所述上井孔的下开口由井缘限定，所述井缘适配成支座在所述水平表面上并以与所述表面滑动啮合的方式相对移动所述主体。

根据优选实施例，所述上井孔设置在另外的或第二主体内，或形成另外的或第二主体的一部分，所述第二主体适配成以包含所述下开口的水平表面贴靠所述第一主体的水平表面，与其滑动啮合。因此所述井孔可以呈现孔或套筒形式，其壁从所述下开口向所述上开口延伸。在一种实施例中，所述井孔可以呈现孔的形式，该孔从包含所述下开口的水平表面向包含所述孔的上开口的第二主体内的上表面延伸。根据进一步优选的实施例，所述第一主体和所述另外的主体每一个都设置有下水平表面和上水平表面。

本发明还涉及测量两种基本上不混溶液体之间表面张力的装备。所述装备包括上述用来在所述第一和第二液体之间形成界面的设备；用来对准所述上下井孔的装置；和用来将探针引入如此形成的液-液界面的装置；以及用来测量所述液-液界面处表面张力的装置。

附图说明

图1示出了根据本发明优选实施例的设备，图1a示出了该设备的单独部件，而图1b示出了组装好的该设备，其中所述第二主体制成在所述第一主体顶部上滑动；

图2示出了根据本发明进行测量的结果，其中在油和含水洗涤剂溶液之间的界面处测量表面张力。

具体实施方式

特别提出本发明来解决在两种基本上不混溶液体之间的界面处测量表面张力的问题。术语“基本上不混溶液体”指的是不容易混合或溶解的液体。这意味着所述液体特征在于相互不溶解、溶解非常不良或溶解不良。但是，基本上是指所述液体至少在为进行表面张力测量而保留的时间段内基本上不混合或溶解。根据本发明，在所述界面形成后，通常迅速进行所述表面张力测量。通常在所述界面形成后的约60秒内进行所述表面张力测量，更特别在所述界面形成后最多20秒内进行。但是，还可以使用更短的时间。作为示例，水溶液和油可以认为是基本上不混溶液体。当然也对最终至少某种程度上混合的液体感兴趣。作为这样的示例，可以述及油和含水洗涤剂溶液。其他感兴趣的液体系统是含水溶液和高阶醇，诸如辛醇，其例如可以用来测量各种物质诸如药品的表面活性；或含水溶液和汽油，例如用于研发油回收系统。

在以下将参照附图讨论本发明。在附图中，图1a和1b示出了本发明的优选实施例，包括第一或下主体10，带有第一或下井孔14，用来接收一定体积的第一液体。井孔14的开口位于主体10的上水平面上。该设备还包括第二上井孔16，呈现具有下井缘17的孔形式，所述孔从上水平面22延伸到设置于第二或上主体12上的下水平面24。下表面24包括井孔16的开口及其井缘17，适配于支座在第一主体10的上水平表面18上，与其滑动啮合。在该实施例中，首先提及的主体10的上表面18将密封所述孔的下开口并形成其闭合底部，于是在与下井孔14中的第一液体形成界面之前，形成可以接收并包含一定体积第二液体的井孔16。井孔14和16的相对位置，即所述井孔相互不对准的位置，允许适当体积的液体引入到各上下井孔中，在图1b中用字母“A”表示。添加到下井孔中的液体体积优选如此测量，使得所述液体表面与主体10的上水平表面18平齐或基本上平齐或甚至突出到该水平表面18之上，从而避免在所述第一井孔中的第一体积液体的上表面与所述第二井孔的下开口之间出现任何距离。井孔后续相对移动将擦除或切除下井孔中任何溢出的液体，以下将解释。

上下井孔基本上可以具有任何形状或形式，只要所述井孔的对准方式允许在待评估液体之间形成界面即可。根据本发明的优选实施例，上井孔16或孔的下开口以及下井孔14的上部或上开口具有相同的水平剖面。优选所述井孔呈现柱状形式，因此所述剖面基本上为圆形。在这种情况下，在所述第二位置时所述井孔正确对准将形成组合井孔，其高度由上下井孔各自的高度限定，所述液-液界面基本上形成在所述下井孔的上开口与所述上井孔或孔之间的接触点处。但是，所述井孔，诸如所述下井孔，也可以呈现倒置的任选截头锥形或金字塔形，具有圆形或方形水平剖面，然后所述上井孔可以呈现任何允许形成界面并允许测量表面张力的形状。于是，例如，呈现倒置任选截头锥形的下井孔可以与柱形上井孔或孔组合使用。

在一定体积的液体添加到各上下井孔中以后，主体12和10将在滑动啮合的同时沿着各表面18和24彼此相对移动，从井孔16的下开口贴靠表面18顶部密封的位置移动到井孔16和14处于对准关系的第二位置，即上井孔16位于下井孔14顶部，就是图1b中用字母“B”标出的位置。具有优势的是，可以用适当引导或控制装置引导所述上下主体的移动，该装置在所示的实施例中包括形成于下主体10上的导轨20，其适合与上主体12上的适当装置协作。但是，应该理解，可以使用任何能适当控制主体10和12之间相对移动的装置。当主体10和12以及相应的井孔14和16到达图1b中字母“B”所示位置时，即第二井孔的下开口不再支座在第一主体水平表面上的位置，上井孔中的液体将被释放，经过第二井孔的下开口，到达下井孔中的液体表面，从而形成所希望的液-液界面。

将形成界面的液体不仅基本上不混溶，而且具有不同密度。根据本发明，所述液体添加到所述井孔，使得密度较低的液体添加到上井孔，而密度较高的液体添加到下井孔。这样导致在井孔对准且较轻的液体沉积到较重的液体顶部后，在液体之间迅速正确形成界面，而不会在液体沉积之后进行任何重新布置。

主体10和12可以用适合此目的的任何适当材料制成，这种材料要足够机械稳定和尺寸稳定。这种材料通常可以是塑料材料，诸如已知为Delrin的聚缩醛酯。

尽管未示于图1中，根据本发明实施例，下井孔14内侧壁和底部以及任选主体10的上水平表面18能携带可处理的插件形式的表面衬层。根据该实施例，孔16内侧壁以及任选主体12下水平表面24也可以携带可处理的插件形式的表面衬层。这种可处理的插件优选用疏水材料形成，诸如聚烯烃聚合物。该实施例的优势在于，可以去除与所述液体接触的部件以及任选承载井孔14、16的主体10、12的滑动表面，并在使用后将其抛弃，这样取消了或者至少有利于使用后清洗所述井孔，并形成时间和成本经济的方案。

根据另一种优选实施例，第一和第二主体的至少其中一个啮合水平表面18、24用疏水材料优选低摩擦材料诸如聚四氟乙烯聚合物涂覆，以减少表面的任何浸湿并使所述主体相对光滑滑动，从而促使所述井孔迅速对准并在井孔14、16中的液体之间正确形成界面。根据该实施例的变形，这种材料的分隔板或片材可以用在所述主体之间，取代涂层。根据该实施例，所述板或片材可以可动地置于第一主体10和第二主体12之间，所述板或片材具有优势的具有基本上相应于第一主体10或第二主体12的形状，所述片材具有孔，其形状和尺寸具有优势地相应于所述下井孔上开口和/或上井孔下开口的水平截面。根据该实施例，根据本发明可以通过添加一定体积的第一液体到所述下井孔中并添加一定体积的第二液体到所述上井孔中来形成所述界面，当所述井孔处于对准位置时，所述井孔中的所述第一液体和第二液体开始借助所述中间片材隔开，并在接下来的步骤中移动所述片材，从而将所述片材上的孔与下井孔上开口以及上井孔下开口对准，将所述第二液体沉积到所述第一液体上，来形成所希望的界面。

为了测量所述界面处的表面张力，使用了适当的探针。可以使用任何一种通常例如用于液体/气体界面的探针，并且这种探针对于本领域的技术人员是已知的。具有优势的是，所述探针引入上井孔16中的液体之前，以添加到下井孔14中的相应液体浸湿。通过浸湿所述探针，以此方式，可以避免上井孔16中的液体粘附到所述探针，这样可能干扰测量并给出不准确的测量结果。在优选实施例中，所述探针以适当方式连接到微量具或天平，用来测量所述界面处的表面张力或表面张力变化。在本发明优选实施例中，所述探针是Cr-Ni导线探针。

在形成所述界面前，即所述设备处于图1b中字母“A”所示位置时，所述探针具有优势地引入上井孔16中的液体中，紧密地靠近其底部。实践中，通过将所述探针悬挂到非常靠近井孔16底部，并任选在第二步骤中将所述探针收回一些来实现这种位置。所述井孔对准且形成所述界面后，则将所述探针悬挂到形成的所述界面中，允许迅速测量并寄存(registration)所述界面处的表面张力。

自然，在形成所述界面后，而且至少在所述界面处发生任何变化之前，尽可能快地测量所述界面处的表面张力，其中所述变化对于获取正确的测量结果是有害的。对于形成在含水洗涤剂溶液和油之间的界面来说，通常在形成所述界面起少于约20秒的时间段内测量引人兴趣的表面张力变化。在所涉及的液体不混溶且在所述界面基本上不发生有害溶解变化的情况下，当然可以让允许的时间段更长，如果有需要的话。

如前所述，在一种优选实施例中，所述井孔为柱状。所述井孔通常较小且直径为5-50mm，优选10-20mm。优选井孔尺寸相对较小，以使测量所需溶液量最小，并且也容易处理。用来测量表面张力的装备，例如用于筛选(screening)目的的装备涉及大量样本系统测量，所述装备典型包括分开布置的一个阵列的或者一系列的设备，每个设备包含带有下井孔的主体，所述下井孔与第二主体的上井孔相应，如附图中的实施例所示。可替代地，可以设想所述下主体布置在该主体内的一个阵列的下井孔，该阵列的下井孔可以与布置在单个上主体中相应数目的上井孔或孔协作，或者每个下井孔与布置在其各自相应主体中的各自上井孔协作。根据该实施例的变形，所述上井孔也可以是包含在同一主体内的一个阵列的井孔，每个井孔与其相应下井孔协作，所述相应下井孔布置在各自单独下主体中或布置在共用下主体中。在这种布置中，适当的上下井孔对准后，可以同时在一些井孔对或全部井孔对中形成所述界面并任选测量表面张力。这种布置可以为大量测量提供非常有效的手段。

图2示出了在含水洗涤剂溶液和油之间的界面处测量表面张力的结果。这种含水溶液在pH值为10的硫酸钠缓冲剂中包含10％的十二烷基硫酸钠，这种水溶液添加到下井孔中。用于测试的油是菜籽油，添加到上井孔。用探针和微量具测量所述界面处的表面张力并寄存至多50秒的时间段。可以看出，油和水之间的表面张力迅速达到平衡，表示与油接触后，所述洗涤剂的表面活性迅速生效。