СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ГРАНИЦЫ РАЗДЕЛА ЖИДКОСТЬ - ЖИДКОСТЬ, В ЧАСТНОСТИ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ
METHOD AND DEVICE FOR FORMING LIQUID-LIQUID INTERFACE, PARTICULARY FOR MEASURING SURFACE TENSION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
В общем случае настоящее изобретение относится к способу формирования границы раздела между двумя по существу несмешивающимися жидкостями, в особенности в целях измерения поверхностного натяжения на упомянутой границе раздела. Изобретение также относится к устройству для формирования такой границы раздела, а также к аппарату для измерения поверхностного натяжения на упомянутой границе раздела. Изобретение можно использовать для измерения поверхностного натяжения и характеристик эмульгирования в случае двух по существу несмешивающихся жидкостей, таких как масло и водный раствор. Изобретение также можно использовать для определения влияния, например, поверхностно-активных веществ на поверхностное натяжение на упомянутой границе раздела. Изобретение является в особенности хорошо подходящим для использования при измерении влияния поверхностно-активных веществ и моющих средств на маслоподобные или жироподобные вещества на границе раздела масло - вода.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Поверхностное натяжение для жидкости можно измерить, например, в результате измерения усилия, приложенного к зонду, размещенному на границе раздела между упомянутой жидкостью и газом, обычно воздухом. Такой зонд может иметь форму тонкой пластины из платины, такой как пластина Wilhelmy, которую размещают на упомянутой границе раздела. Альтернативная конструкция зонда имеет форму металлической проволоки небольшого диаметра, например, кольца du Nouy.
Изменение поверхностного натяжения обнаруживается в виде изменения количества жидкости, приставшей к зонду. Если поверхностное натяжение жидкости будет уменьшаться, то тогда количество, приставшее к зонду, будет уменьшаться линейно, и наоборот. Приставшая жидкость формирует вертикальное усилие, действующее на зонд, что можно зафиксировать при использовании микровесов. Методы изменения поверхностного натяжения на границе раздела воздух/вода описывают в документе WO 02/055996, озаглавленном «Method for measuring the surface tension of an aqueous solution», и в документе WO 2004/025277, озаглавленном «Method for surface tension measurement», которые посредством ссылки включаются в настоящий документ.
В дополнение к измерению поверхностного натяжения на границе раздела между жидкостью и газом, таким как воздух, существует потребность в измерении поверхностного натяжения и изменений поверхностного натяжения на границе раздела между жидкостями, которые являются по существу несмешивающимися. Такая информация может иметь большое значение, например, при определении эмульгирующей способности поверхностно-активных веществ и моющих средств. При разработке моющих средств важно знать то, насколько быстро или эффективно моющее средство будет эмульгировать или растворять жир или масло, то есть насколько эффективно будут удаляться жироподобные и маслоподобные вещества, например, во время проведения операции стирки. Такие эффекты можно измерять в результате измерения изменений, имеющих место для поверхностного натяжения на границе раздела между двумя жидкостями, такими как масло и водный раствор, содержащий упомянутое моющее средство.
Однако существует проблема, заключающаяся в надлежащем формировании границы раздела между жидкостями, что сделало бы возможным проведение быстрого, правильного и чувствительного измерения поверхностного натяжения и любых его изменений. Кроме того, было бы желательно разработать систему, которая сделала бы возможным использование быстрого и эффективного формирования границы раздела и проведения измерения поверхностного натяжения в широких масштабах или в рамках отбраковывания, например, для разработки продукта, такое как оценка поверхностно-активных свойств различных продуктов, обычно растворенных в одной из оцениваемых жидкостей. Упомянутая система также может оказаться подходящим для использования инструментом исследования в сфере изучения кинетики поведения для жидкостей.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В своем наиболее широком смысле изобретение относится к способу и устройству для формирования границы раздела между первой и второй по существу несмешивающимися жидкостями, при этом способ включает стадии добавления объема первой жидкости в первую или нижнюю лунку, при этом лунка имеет закрытый донный участок и участок стенки или участки, проходящие от донного участка и определяющие верхнее отверстие лунки, добавления объема второй жидкости во вторую или верхнюю лунку, имеющую участки стенки или участки, проходящие от верхнего отверстия лунки до нижнего отверстия лунки, при этом нижнее отверстие упомянутой лунки находится на горизонтальной поверхности, причем упомянутая горизонтальная поверхность образует закрытый донный участок для нижнего отверстия второй лунки, перемещения верхней лунки и упомянутой горизонтальной поверхности друг относительно друга для открытия нижнего отверстия верхней лунки с образованием сквозного прохода, когда положение первой лунки будет выровнено с положением второй лунки, для того, чтобы нанести вторую жидкость на поверхность первой жидкости и сформировать границу раздела между первой и второй жидкостями.
В случае использования способа для измерения поверхностного натяжения на границе раздела способ будет включать дополнительные стадии ввода зонда на границу раздела и измерения поверхностного натяжения на границе раздела.
Говоря более конкретно, целью изобретения является способ формирования границы раздела между первой и второй по существу несмешивающимися жидкостями, включающий стадии добавления объема первой жидкости в первую или нижнюю лунку, сформированную в теле, имеющем горизонтальную поверхность, при этом лунка имеет закрытый донный участок и участок стенки или участки, проходящие от донного участка и образующие отверстие лунки, добавления объема второй жидкости во вторую или верхнюю лунку, имеющую участок стенки или участки, проходящие от верхнего отверстия лунки до нижнего отверстия лунки, при этом нижнее отверстие лунки в первом положении выполнено с возможностью герметизации при помощи упомянутой горизонтальной поверхности, и перемещения таким образом герметизированной верхней лунки и упомянутой поверхности друг относительно друга из упомянутого первого положения во второе положение для того, чтобы выровнять положение нижнего отверстия верхней лунки с положением верхнего отверстия нижней лунки для нанесения второй жидкости поверх первой жидкости и формирования границы раздела между первой и второй жидкостями.
Еще одной целью изобретения является способ измерения поверхностного натяжения на границе раздела между первой и второй по существу несмешивающимися жидкостями, образованной в соответствии со способом, описанным ранее. Способ измерения поверхностного натяжения включает дополнительные стадии ввода зонда на таким образом сформированную границу раздела и измерения поверхностного натяжения на границе раздела.
Изобретение также относится к устройству и аппарату для реализации упомянутых способов. Соответствующее изобретению устройство для формирования границы раздела включает тело, имеющее горизонтальную поверхность, при этом тело снабжено первой или нижней лункой для приема объема первой жидкости, причем лунка имеет закрытый донный участок и участок стенки или участки, проходящие от донного участка и определяющие отверстие лунки, и вторую или верхнюю лунку для приема объема второй жидкости, имеющую участок стенки или участки, проходящие от верхнего отверстия лунки до нижнего отверстия лунки, где данное нижнее отверстие лунки выполнено с возможностью герметизации при помощи горизонтальной поверхности и перемещения по отношению к ней для образования прохода для второй жидкости через отверстие лунки при нанесении второй жидкости на поверхность первой жидкости.
В соответствии с предпочтительным вариантом реализации нижнее отверстие лунки в первом положении приспособлено для герметизации при помощи горизонтальной поверхности, при этом таким образом герметизированная верхняя лунка и упомянутое тело способны перемещаться друг по отношению к другу из упомянутого первого положения, в котором горизонтальная поверхность тела закрывает нижнее отверстие верхней лунки, во второе положение, в котором положение нижнего отверстия верхней лунки выровнено с положением верхнего отверстия нижней лунки в первом теле.
В соответствии с предпочтительным вариантом реализации отверстие нижней лунки находится на горизонтальной поверхности тела, а нижнее отверстие верхней лунки определяет кромка отверстия, которая выполнена с возможностью расположения на горизонтальной поверхности и перемещения по отношению к упомянутому телу в скользящем взаимодействии с упомянутой поверхностью.
В соответствии с предпочтительным вариантом реализации верхнюю лунку выполняют, или она составляет часть в дополнительном или втором теле, выполненом с возможностью, чтобы его горизонтальная поверхность, имеющая упомянутое нижнее отверстие, герметично сопрягалась с горизонтальной поверхностью первого упомянутого тела, находясь с ней в скользящем взаимодействии. Таким образом, лунка может иметь форму канала или ствола, стенки которого идут от нижнего отверстия до верхнего отверстия. В одном варианте реализации лунка может иметь форму канала, идущего от горизонтальной поверхности, имеющей нижнее отверстие, до верхней поверхности в упомянутом втором теле, имеющем верхнее отверстие канала. В соответствии с дополнительным предпочтительным вариантом реализации каждое тело, выбираемое как из первого упомянутого тела, так и из дополнительного тела, снабжают нижней горизонтальной поверхностью и верхней горизонтальной поверхностью.
Изобретение также относится к аппарату для измерения поверхностного натяжения между двумя по существу несмешивающимися жидкостями. Аппарат включает описанное ранее устройство для формирования границы раздела между перовой и второй жидкостями, приспособление для выравнивания положений верхней и нижней лунок и приспособление для ввода зонда на таким образом сформированную границу раздела жидкость - жидкость, а также приспособление для измерения поверхностного натяжения на границе раздела жидкость - жидкость.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 показывает устройство, соответствующее предпочтительному варианту реализации изобретения. Фиг.1а показывает отдельные детали устройства, а фиг.1b показывает собранное устройство, где второе тело изготавливают скользящим поверх первого тела.
Фиг.2 показывает результаты измерений, проведенных в соответствии с изобретением, где поверхностное натяжение измеряют на границе раздела между маслом и водным раствором моющего средства.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение специально предложено для решения проблемы измерения поверхностного натяжения на границе раздела между двумя по существу несмешивающимися жидкостями. Термин «по существу несмешивающиеся жидкости» обозначает жидкости, которые нелегко смешать друг с другом или друг в друге растворить. Это значит то, что упомянутые жидкости можно охарактеризовать как взаимно нерастворимые, очень плохо растворимые или плохо растворимые. Однако существенным является то, что упомянутые жидкости по существу друг с другом не смешиваются и друг в друге не растворяются, по меньшей мере, в течение периода времени, определенного для проведения измерения поверхностного натяжения. В соответствии с настоящим изобретением измерение поверхностного натяжения обычно проводят вскоре после формирования границы раздела. Обычно измерение поверхностного натяжения будут проводить в пределах приблизительно 60 секунд после формирования границы раздела, а более часто в пределах, самое большее, 20 секунд после формирования границы раздела. Однако могут быть использованы и даже более короткие периоды времени. В порядке примера в качестве по существу несмешивающихся жидкостей можно упомянуть водный раствор и масло. Кроме того, интерес представляют и жидкости, которые, в конечном счете, будут смешиваться друг с другом, по меньшей мере, в некоторой степени. В качестве их примера можно упомянуть масло и водный раствор моющего средства. Другими жидкостными системами, представляющими интерес, являются водные растворы и высшие спирты, такие как октанол, которые можно использовать, например, для измерения поверхностно-активных свойств различных веществ, таких как лекарственные препараты, или водные растворы и бензин, предназначенные для использования, например, при разработке нефтеулавливающих систем.
В последующем изложении изобретение будет обсуждаться со ссылкой на чертежи. На фиг.1а и фиг.1b демонстрируют предпочтительный вариант реализации изобретения, включающий первое или нижнее тело 10, имеющее первую или нижнюю лунку 14 для приема определенного объема первой жидкости. Отверстие лунки 14 располагается на верхней горизонтальной поверхности тела 10. Устройство также включает вторую верхнюю лунку 16 в форме канала, имеющего нижнюю кромку отверстия 17, при этом канал идет от верхней горизонтальной поверхности 22 до нижней горизонтальной поверхности 24, предусмотренной на втором или верхнем теле 12. Нижняя поверхность 24, включающая отверстие лунки 16 и его кромку 17, приспособлена для нахождения на верхней горизонтальной поверхности 18 первого тела 10 в скользящем взаимодействии с ней. В данном варианте реализации верхняя поверхность 18 первого упомянутого тела 10 будет герметизировать нижнее отверстие канала и формировать для него закрытое дно с получением, таким образом, лунки 16, которая может принимать и вмещать объем второй жидкости до формирования границы раздела с первой жидкостью в нижней лунке 14. Данное относительное положение лунок 14 и 16, когда упомянутые лунки находятся во взаимно невыровненном положении, что делает возможным ввод подходящего объема жидкости в соответствующие верхнюю и нижнюю лунки, на фиг.1b обозначено буквой «А». Объем жидкости, добавленной в нижнюю лунку, предпочтительно имеет такую величину, чтобы в сопоставлении с верхней горизонтальной поверхностью 18 тела 10 поверхность жидкости была бы расположена вровень с ней или по существу вровень с ней или даже выпячивалась бы вверх для того, чтобы избежать появления какого-либо промежутка между верхней поверхностью первого объема жидкости в первой лунке и нижним отверстием второй лунки. Любое избыточное количество жидкости в нижней лунке будет сметено или срезано при последующем относительном перемещении лунок, что будет разъяснено далее.
Верхняя и нижняя лунки могут иметь по существу любые форму или контур до тех пор, пока выравнивание положений отверстий будет позволять формировать границу раздела между оцениваемыми жидкостями. В соответствии с предпочтительным вариантом реализации изобретения как нижнее отверстие верхних лунки 16 или канала, так и верхняя часть или верхнее отверстие нижней лунки 14 имеют идентичные горизонтальные поперечные сечения. Предпочтительно лунки имеют форму цилиндра, и, таким образом, поперечные сечения являются по существу круговыми. В данном случае надлежащее выравнивание положений лунок в упомянутом втором положении в результате будет приводить к получению объединенной лунки, высоту которой будут определять объединенные высоты нижней и верхней лунок, соответственно, при этом границу раздела жидкость - жидкость формируют по существу в точке контакта между верхним отверстием нижней лунки и нижним отверстием верхних лунки или канала. Однако лунки, такие как нижняя лунка, также могут иметь и форму перевернутых, по выбору усеченных, конуса или пирамиды, имеющих круговое или квадратное горизонтальное поперечное сечение; таким образом, верхняя лунка может иметь любую форму, которая сделает возможными формирование границы раздела и проведение измерения поверхностного натяжения. Таким образом, например, нижнюю лунку в форме перевернутого, по выбору усеченного, конуса можно использовать в комбинации с цилиндрическими верхними лункой или каналом.
После добавления объемов жидкости в нижнюю и верхнюю лунки, соответственно, тела 12 и 10 будут перемещать друг относительно друга вдоль соответствующих поверхностей 18 и 24 при одновременном их нахождении в скользящем взаимодействии из положения, в котором нижнее отверстие лунки 16 герметизировано верхней стороной поверхности 18, во второе положение, в котором положения лунок 16 и 14 выровнены друг по отношению к другу при расположении верхней лунки 16 поверх нижней лунки 14, то есть в положение, обозначенное на фиг.1b буквой «В». В выгодном случае перемещение верхнего и нижнего тел могут определять подходящие для использования направляющие или регулирующие приспособления, которые на продемонстрированном варианте реализации образованы направляющими салазками 20, сформированными на нижнем теле 10, которые надлежащим образом взаимодействуют с подходящими для использования приспособлениями на верхнем теле 12. Однако необходимо понимать то, что могут быть использованы любые приспособления, которые окажутся подходящими для использования при регулировании относительного перемещения тел 10 и 12. При достижении телами 10 и 12, имеющими соответствующие лунки 14 и 16, положения, обозначенного на фиг.1b буквой «В», в котором нижнее отверстие второй лунки больше уже не будет находиться на горизонтальной поверхности первого тела, жидкость в верхней лунке будет выходить через нижнее отверстие во второй лунке на поверхность жидкости в нижней лунке, формируя желательную границу раздела жидкость - жидкость.
Жидкости, которые должны формировать границу раздела, будут не только по существу несмешивающимися, но обычно будут иметь и различные плотности. В соответствии с изобретением жидкости добавляют в лунки таким образом, чтобы жидкость, имеющая меньшую плотность, была бы добавлена в верхнюю лунку, а жидкость, имеющая большую плотность, была бы добавлена в нижнюю лунку. В результате это приведет к надлежащему и мгновенному формированию границы раздела между жидкостями после выравнивания положений лунок и нанесению более легкой жидкости поверх более плотной жидкости, без какой-либо перегруппировки жидкостей после их нанесения.
Тела 10 и 12 можно изготавливать из любого материала, подходящего для использования в данных целях, то есть из материала, который обнаруживает достаточные механическую прочность и стабильность геометрических размеров. Обычно таким материалом может являться подходящий для использования материал пластика, такой как полиацеталевая смола, известная как Derlin.
Хотя это и не показано на фиг.1, но в соответствии с одним вариантом реализации изобретения области внутренних стенок и дна нижней лунки 14 и необязательно верхняя горизонтальная поверхность 18 тела 10 могут иметь облицовку поверхности в форме одноразовой вставки. В соответствии с данным вариантом реализации облицовку поверхности в форме одноразовой вставки также могут иметь и внутренние стенки канала 16 и необязательно нижняя горизонтальная поверхность 24 тела 12. Одноразовую вставку предпочтительно получают из гидрофобного материала, такого как полиолефиновый полимер. Преимущество данного варианта реализации заключается в том, что детали, которые находятся в контакте с жидкостями, а также необязательно и скользящие поверхности тел 10, 12, имеющих лунки 14, 16, после использования можно вынимать и выбрасывать, таким образом, исключая или, по меньшей мере, облегчая промывание лунок после использования и получая в результате в особенности эффективное решение с точки зрения материальных и временных затрат.
В соответствии с еще одним предпочтительным вариантом реализации, по меньшей мере, на одну из находящихся в взаимодействии горизонтальных поверхностей 18, 24 первого и второго тел наносят покрытие из гидрофобного, необязательно низкофрикционного, материала, такого как политетрафторэтиленовый полимер, для уменьшения какого-либо смачивания поверхностей и обеспечения плавного скользящего относительного перемещения тел для того, чтобы облегчить быстрое выравнивание положений лунок, и надлежащего формирования границы раздела между жидкостями в лунках 14, 16. В соответствии с модификацией данного варианта реализации вместо покрытия между телами можно использовать отдельные пластину или лист такого материала. В соответствии с одним вариантом реализации упомянутые пластину или лист можно подвижным образом расположить между первым 10 и вторым телом 12, при этом в выгодном случае пластина или лист имеют форму, по существу соответствующую форме первого 10 или второго тела 12, причем упомянутый лист имеет отверстие с формой и размером, в выгодном случае соответствующими горизонтальному поперечному сечению верхнего отверстия нижней лунки и/или горизонтальному поперечному сечению нижнего отверстия верхней лунки. В соответствии с данным вариантом реализации границу раздела можно сформировать в соответствии с изобретением в результате добавления определенного объема первой жидкости в нижнюю лунку и определенного объема второй жидкости в верхнюю лунку, при этом первая и вторая жидкости в лунках первоначально разделены при помощи упомянутого промежуточного листа при нахождении лунок в выровненном положении, и на последующей стадии перемещения упомянутого листа таким образом, чтобы выровнять положение отверстия в листе с положением верхнего отверстия нижней лунки и положением нижнего отверстия верхней лунки для нанесения второй жидкости на первую жидкость и получения желательной границы раздела.
Для измерения поверхностного натяжения на границе раздела используют подходящий зонд. Может быть использован любой один из зондов, обычно применяемых, например, на границах раздела, жидкость/газ, и как таковые они известны специалисту в соответствующей области техники. В выгодном случае перед вводом зонда в жидкость в верхней лунке 16 зонд смачивают жидкостью, соответствующей той, что добавляют в нижнюю лунку 14. В результате смачивания зонда таким образом можно избежать возникновения ситуации, при которой жидкость в верхней лунке 16 будет приставать к зонду, что могло бы стать помехой при проведении измерений и привести к получению неточных результатов измерений. В предпочтительном варианте реализации зонд надлежащим образом соединяют с микровесами или весами для измерения поверхностного натяжения или изменений поверхностного натяжения на границе раздела. В предпочтительном варианте реализации изобретения зондом является Cr-Ni проволочный зонд.
В выгодном случае зонд вводят в жидкость в верхней лунке 16 в непосредственной близости от ее дна до формирования границы раздела, то есть тогда, когда устройство находится в положении, обозначенном на фиг.1b буквой «А». На практике этого добиваются в результате подвешивания зонда в положении, очень близком ко дну лунки 16, и необязательного некоторого отвода зонда назад на второй стадии. Затем после выравнивания положений лунок и формирования границы раздела зонд подвешивают на сформированной границе раздела, что делает возможным проведение быстрых измерения и регистрации поверхностного натяжения на границе раздела.
Само собой разумеется, что поверхностное отношение на границе раздела измеряют, как только это станет возможным после формирования границы раздела, но, по меньшей мере, до возникновения каких-либо изменений на границе раздела, что окажет неблагоприятное воздействие на получения правильных результатов измерений. В случае границ раздела, сформированных между водным раствором моющего средства и маслом, изменения поверхностного натяжения, которые представляют интерес, обычно измеряют в течение временного интервала, который равен менее, чем приблизительно 20 с после формирования границы раздела. В тех случаях, когда рассматриваемые жидкости являются несмешивающимися, и отсутствует какая-либо существенная опасность возникновения неблагоприятных изменений, обусловленных растворением на границе раздела, упомянутый допустимый временной интервал, само собой разумеется, может оказаться и более продолжительным, если в этом возникнет необходимость.
Как утверждалось ранее, в одном предпочтительном варианте реализации лунки имеют цилиндрическую форму. Лунки обычно невелики и могут иметь диаметр 5-50 мм, предпочтительно 10-20 мм. Для сведения к минимуму количеств раствора, необходимого для проведения измерения, предпочтительным является относительно небольшой размер лунки, а кроме того, он удобней в обращении. Аппарат для измерения поверхностного натяжения, например, в целях отбраковывания, что включает проведение измерений для большого количества систем образцов, обычно будет включать массив или серию устройств, например, расположенных раздельно, при этом каждое устройство включает тело, имеющее нижнюю лунку, взаимодействующую с верхней лункой во втором теле, как это продемонстрировано в варианте реализации на чертеже. В альтернативном варианте можно себе представить ситуацию, когда нижнее тело будет включать массив нижних лунок, расположенных в одном и том же теле, при этом данный массив нижних лунок может взаимодействовать с соответствующим количеством верхних лунок или каналов, расположенных в одном верхнем теле, или же каждая нижняя лунка может взаимодействовать со своей собственной верхней лункой, расположенной в соответствующем своем собственном теле. В соответствии с модификацией данного варианта реализации верхние лунки также могут иметь форму массива лунок, включенных в одно и то же тело, при этом каждая лунка взаимодействует со своей соответствующей нижней лункой, расположенной либо в своем собственном отдельном, либо в общем нижнем теле. При таком расположении формирование границы раздела и необязательно измерение поверхностного натяжения можно проводить одновременно в некоторых или во всех парах лунок после выравнивания положений соответствующих верхних и нижних лунок. Такое расположение может обеспечить получение очень эффективного средства проведения большого количества измерений.
На фиг.2 продемонстрированы результаты измерения поверхностного натяжения на границе раздела между водным раствором моющего средства и маслом. Водный раствор содержал 10% додецилсульфата натрия в буфере, содержащем сульфат натрия, при рН 10, и данный водный раствор добавляли в нижнюю лунку. Маслом, используемым в испытании, являлось масло канолы, добавляемое в верхнюю лунку. Поверхностное натяжение на границе раздела измеряли при использовании зонда и микровесов и регистрировали в течение периода времени продолжительностью вплоть до 50 с. Можно видеть, что измерение поверхностного натяжения между маслом и водой быстро достигает равновесия, свидетельствуя о том, что поверхностно-активные свойства моющего средства эффективно и быстро проявляются после контакта с маслом.