DD290786A7 - MEASURING CELL CONFIGURATION FOR DETERMINING THE ELECTROKINETIC FLOOD POTENTIAL ON PLATE SOFT OR EXCAVATIVE SUBSTRATES - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Meszzellenkonfiguration zur Bestimmung des elektrokinetischen Stroemungspotentials an plattenfoermigen oder aufstreichfaehigen Substraten. Zur reproduzierbaren Bestimmung von Zetapotentialen an plattenfoermigen Substrat/Elektrolyt-Systemen wird eine Meszzellenkonfiguration vorgeschlagen, die im Gebrauch sicher, nach auszen abgeschlossen und leicht handhabbar ist. Die konzipierte Apparatur eignet sich bevorzugt zur Messung an plattenfoermigen Substraten, wobei die bekannten Nachteile anderer Meszzellen, wie die dort auftretenden Schnittstellen zwischen Probenkammer und Elektrodenteilen wegfallen. Mit der erstellten Meszapparatur besteht die Moeglichkeit Stroemungspotentiale sind besonders zur elektrokinetischen Charakterisierung der auftretenden Wechselwirkungen zwischen den im Offsetdruck auftretenden Grenzflaechen und den eingesetzten Feuchtmitteln geeignet. Die Meszapparatur kann zur Charakterisierung der Wechselwirkungen aller Vorgaenge eingesetzt werden, bei denen ebene Materialien mit fluiden Systemen kontaktiert werden.{Meszzellenkonfiguration; Stroemungspotential; Zetapotential; elektrokinetisch, reproduzierbar; Probenkammer; Grenzflaeche; Feuchtmittel; Substrat, plattenfoermig, aufstreichfaehig}The invention relates to a measuring cell configuration for determining the electrokinetic flow potential on plate-like or paintable substrates. For the reproducible determination of zeta potentials on plate-like substrate / electrolyte systems, a measuring cell configuration is proposed which, in use, is safe, finished and easy to handle. The designed apparatus is preferably suitable for the measurement of plate-shaped substrates, wherein the known disadvantages of other measuring cells, such as the interfaces between sample chamber and electrode parts occurring there, are eliminated. With the created Meszapparatur there is the possibility Stroemungspotentiale are particularly suitable for the electrokinetic characterization of the interactions occurring between the occurring in offset printing Grenzflaechen and the dampening solution used. The measuring apparatus can be used to characterize the interactions of all processes in which even materials are contacted with fluid systems. {Meszzellenkonfiguration; Stroemungspotential; Zeta potential; electrokinetic, reproducible; Sample chamber; boundary surface; Fountain solution; Substrate, plate-like, paintable}

Description

den Anschraubvorgang der beiden Zellenhälften und deren Verschraubung mit dnn Elektrodenkammern Materialermüdungserscheinungen, die zur schnellen Zerstörung der Apparatur beitragen. Dadurch ist eine routinemäßige Nutzung des Meßgerätes erschwert oder gar unmöglich. Zusätzlich sind aufgrund der erforderlichen Verbindungsstellen zwischen Meßspalt und den Elektrodenkammern Turbulenzen im Fluidstrom nicht ausgeschlossen, wodurch die Forderung nach Laminarität der Flüssigkeitsströmung und Entwicklung eines gleichgewichts-parabolischen Strömungsprotils gestört ist. Da der Elektrolyt durch die Art die in dor DD PS 213513 beschriebenen Anordnung ohne Verwendung von Dichtstoffen trotz fester Verschraubung der beiden Zollhälften an der Probenrückselto entlangfließt, waren insbesondere bei Einsatz von polymerbeschichteten Metallsubstraten durch das Auftreten von „elektrischen Durchschlagen" keine reproduzierbaren Messungen erzielbar. Der Gebrauch von Bienenwachs erweist sich deshalb zur Abdichtung des Spaltes zwischen Frobenrückseite und Zeilenwand wie in van Wagenen, R.A.; Andrade, J. D.: Flat Plate Streaming Potential Investigations: Hydrodynamics and Electrokinetic Equivalency, J. of Colloid and Interface Science 76 (1980) 2,305-314 beschrieben noch wie vor als unumgänglich.The Anschraubvorgang the two halves of the cell and their screwing with thin electrode chambers material fatigue phenomena, which contribute to the rapid destruction of the apparatus. This makes it difficult or even impossible to routinely use the measuring device. In addition, due to the required connection points between measuring gap and the electrode chambers turbulence in the fluid flow is not excluded, whereby the requirement for laminarity of the liquid flow and development of an equilibrium parabolic flow profile is disturbed. Since the electrolyte flows through the type described in dor DD PS 213513 arrangement without the use of sealants despite fixed screwing the two inch halves on the sample back, especially when using polymer-coated metal substrates by the occurrence of "electrical breakdown" no reproducible measurements were achieved Use of beeswax therefore proves to seal the gap between the frog back and the line wall as in Van Wagenen, RA; Andrade, JD: Flat Plate Streaming Potential Investigations: Hydrodynamics and Electrokinetic Equivalency, J. of Colloid and Interface Science 76 (1980) 2,305-314 described as before as unavoidable.

Zur Liquidierung oder Minimierung derartiger Fehlerquellen und zur Absicherung der Meßwerte ist es deshalb notwendig, eine im Gebrauch sichere, dicht nach außen abgeschlossene sowie leicht handhabbare Meßzellenkonfiguration zu erstellen.To liquidate or minimize such sources of error and to secure the measured values, it is therefore necessary to create a secure in use, sealed to the outside and easy to handle measuring cell configuration.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Meßzolienkonfiguration mit deren Hilfe die reproduzierbare Bestimmun g von Zetapotentialen an plattenförmigen Substrat/Elektrolyt-Systemen möglich ist, die im Gebrauch sicher, nach außen abgeschlossen und leicht handhabbar ist und die Nachteile bekannter Meßzellen, wie die dort auftretenden Schnittstellen zwischen Probenkammer und Elektrodenteilen ausschließt.The aim of the invention is to provide a Meßzolienkonfiguration with the help of the reproducible determin conditions of Zetapotentialen plate-shaped substrate / electrolyte systems is possible, which is safe in use, closed to the outside and easy to handle and the disadvantages of known measuring cells, such as the interfaces occurring there excludes between sample chamber and electrode parts.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, eine Meßzellenkonfiguration zu entwickeln, durch die eine reproduzierbare Ermittlung des Strömungs- und Zetapotentials an plattenförmigen Substraten routinemäßig realisiert worden kann. Dazu ist es notwendig, den Aufbau der Zelle so zu gestalten, daß die Apparatur durch Vermeidung von lösbaren Verbindungen zwischen Meßspalt und Elektrodenkammern gegen unerwünschten Flüssigkeitsaustritt abgesichert wird.The invention is based on the technical object of developing a measuring cell configuration by means of which a reproducible determination of the flow and zeta potential on plate-shaped substrates can be routinely realized. For this purpose, it is necessary to design the structure of the cell so that the apparatus is secured by avoiding detachable connections between measuring gap and electrode chambers against unwanted liquid leakage.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die aus chemisch inertem Material bestehende Meßzelle aus einer Röhre besteht, die über zwei gegenüberliegende Öffnungen, mit zwei Elektrodenkammern unlösbar sowie nach außen hermetisch abgeschlossen, verbunden ist (Fig. 1). Zwei in der Röhre gleitbar gelagerte Kolben, in deren parallel zueinander stehenden Frontflächen sich jeweils ein Kanal definierter Tiefe und Breite zur Einbettung und Befestigung der plattenförmigen Proben (Probenkanal) befindet (Fig. 2), schließen die Öffnungen seitlich in der Weise im rechten Winkel ein, daß ein Spalt entsteht, dessen Geometrie einen hergestellten, stationären und laminaren Flüssigkeitsstrom (Poiseuille'sche Bedingung) zuläßt.According to the invention, the object is achieved in that the existing of chemically inert material measuring cell consists of a tube which is connected via two opposite openings, with two electrode chambers insoluble and hermetically sealed to the outside (Fig. 1). Two pistons slidably mounted in the tube, in whose mutually parallel front surfaces each have a channel of defined depth and width for embedding and fixing the plate-shaped samples (sample channel) is located (Fig. 2), include the openings laterally in the manner at right angles in that a gap arises whose geometry allows a manufactured, stationary and laminar liquid flow (Poiseuille condition).

Nach van Wagenen, R. A.; Andrade, J. D.: Flat Plate Streaming Potential Investigations: Hydrodynamics and Elektrokinetic Equivalency, J. of Colloid and Interface Science /6 (1980) 2,305-314 ist für eine laminare Strömung zwischen zwei Platten, die die Entfernung 2 b (Spaltbreite) voneinander besitzen, die Mindestlänge U zur Ausbildung eines gleichgewichts-parabolischen Strömungsprofils durch den AusdruckAfter van Wagenen, R. A .; Andrade, JD: Flat Plate Streaming Potential Investigations: Hydrodynamics and Electrokinetic Equivalency, J. of Colloid and Interface Science / 6 (1980) 2,305-314 is for a laminar flow between two plates having a distance of 2 b (gap width) from each other, the minimum length U to form an equilibrium parabolic flow profile through the expression

L, = 0,026 b ReL, = 0.026 b Re

mit Re als Reynold'scher Zahl gegeben.with Re given as Reynolds number.

Eine mechanische Fixierung der Spaltbreite wird durch eine Arretierung der Kolben, die auf der Rückseite mitA mechanical fixation of the gap width is achieved by a locking of the pistons, which on the back Positioniereinrichtungen fest verbunden werden können, erreicht.Positioning devices can be firmly connected achieved. An den Elektrodenkammern befinden sich Öffnungen für den in die Meßzelle einfließenden bzw. ausfließenden ElektrolytenAt the electrode chambers are openings for the inflowing or flowing into the measuring cell electrolyte

sowie zum Anschluß eines Flüssigkeitsdruckmessers. In den beiden Elektrodenkammern erfolgt durch das Elektrodenpaar dieand for connecting a fluid pressure gauge. In the two electrode chambers takes place through the pair of electrodes

Messung des bei der laminaren Durchströmung des Spaltes mit einem Elektrolyten entstehende Strömungspotential (Fig. 1).Measurement of the flow potential arising during the laminar flow through the gap with an electrolyte (FIG. 1). Üblicherweise werden zur Durchführung der elektrochemischen Messungen Kalomel-, Quecksilberoxyd-, Silberchlorid- oderUsually, to carry out the electrochemical measurements calomel, mercury oxide, silver chloride or Silbersulfatelektroden eingesetzt. Der Einsatz dieser Elektroden ist von der untersuchten Flüssigkeit abhängig, die den SpaltSilver sulfate electrodes used. The use of these electrodes depends on the fluid being tested, which is the gap

durchströmt. Eine synchrone Messung des hydrostatischen Druckabfalls in der Meßzelle sowie des Strömungspotentialsgewährleistet die Nutzung eines Differential-Druck-Übertragers.flows through. A synchronous measurement of the hydrostatic pressure drop in the measuring cell as well as the flow potential ensures the use of a differential pressure transmitter.

Ausführungsbeispielembodiment

In der zeichnerischen Darstellung sind die Teile einer erfindungsgemäßen Strömungspotentialmeßzelle veranschaulicht. Es zeigen:In the drawing, the parts of a Strömungspotentialmeßzelle invention are illustrated. Show it:

Fig. 1: die Seitenansicht der StrömungspotentialmeßzelleFig. 1: the side view of the Strömungspotentialmeßzelle Fig. 2: die Draufsicht auf den Kolben mit ArretierungsvorrichtungFig. 2: the top view of the piston with locking device Fig. 3: die Seitenansicht des Kolbens mit ArretierungsvorrichtungFig. 3: the side view of the piston with locking device Fig.4: Darstellung des Meßspaltes mit KolbenFig.4: Representation of the measuring gap with piston

Die Substrate (9) wurden mit Bienenwachs in den Probenkanälen (8) befestigt, in der Weise, daß mit den jeweiligen Kolbenfrontseiten eine ebene Fläche gebildet wird. Vor der Einführung der Kolben (4) in die Röhre (1) werden auf eine der beiden Kolbenfrontseiten (5) Abstandsplättchen (10) mit definierter Dicke aufgebracht, wobei die Substratoberfläche ausgespart ist undThe substrates (9) were fixed with beeswax in the sample channels (8), in such a way that with the respective piston front sides a flat surface is formed. Prior to the introduction of the piston (4) in the tube (1) are applied to one of the two piston front sides (5) spacer plates (10) with a defined thickness, wherein the substrate surface is recessed and

somit die Meßspaltöffnung (11) realisiert Ist. Die Meßzelle wird anschließend über die Bohrungen (6) fest verschraubt. Bei der Instillation der Moßelektroden in die Elektrodenkammern (3) ist darauf zu achten, daß sich die entsprechenden Schliffdiaphragmon über bzw. unter den Meßspaltöffnungen (11) befinden. Anschließend erfolgt der Anschluß der Elektroden an das Spannungsmeßgerät.thus the measuring gap opening (11) is realized. The measuring cell is then firmly screwed over the holes (6). When instilling the measuring electrodes into the electrode chambers (3), make sure that the corresponding ground diaphragms are above or below the measuring gap openings (11). Subsequently, the connection of the electrodes to the voltage measuring device.

Durch Öffnen eines Ventils wird die im Vorratsbehälter befindliche flüssige Phase durch den Strömungskanal (2) und die Meßspaltöffnung (11) geleitet. Hierbei sollte ein Höhenunterschied zwischen Vorratsbehälter und Meßzelle von ca. 0,8-1 m eingehalten werden, wobei sich der Vorratsbehälter über der Meßzelle befindet. Nach Einstellung des Druckgleichgewichtes wird mit dem Meßvorgang begonnen.By opening a valve, the liquid phase in the reservoir is passed through the flow channel (2) and the Meßspaltöffnung (11). In this case, a height difference between the reservoir and the measuring cell should be maintained by about 0.8-1 m, with the reservoir is above the measuring cell. After adjusting the pressure balance, the measuring process is started.

Claims (1)

Meßzellenkonfiguration zur Bestimmung des elektrokinetischen Strömungspotentials an plattenförmigen oder aufstreichfähigen Substraten aus elektrisch nicht leitenden, chemisch inertem Material, bestehend aus einer Röhre, die über zwei gegenüberliegende Öffnungen mit zwei Elektrodenkammern unlösbar sowie nach außen hermetisch abgeschlossen verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die sich berührenden ebenen Frontflächen zweier Kolben (4), die in an sich bekannter Weise in der Röhre (1) gloitbar gelagert sind, jeweils symmetrisch von einem Kanal (f.) zur Einbettung und Befestigung des Substrats durchschnitten werden.Measuring cell configuration for determining the electrokinetic flow potential to plate-shaped or paintable substrates of electrically non-conductive, chemically inert material, consisting of a tube which is connected via two opposite openings with two electrode chambers insoluble and hermetically sealed to the outside, characterized in that the contacting planes Front surfaces of two pistons (4), which are mounted globitably in a manner known per se in the tube (1), in each case symmetrically intersected by a channel (f.) For embedding and fixing the substrate. Hierzu 3 Seiten ZeichnungenFor this 3 pages drawings Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention Die Erfindung eignet sich zur Charakterisierung der Wechselwirkungen von Vorgängen, bei denen ebene Materialien mit fluiden Systemen kontaktiert werden. Zur Charakterisierung der Wechselwirkungen dient die beschriebene Meßzellenkonfiguration in der das Strömungspotential an plattenförmigen Substrat/Elektrolyt-Systemen bestimmt wird.The invention is useful for characterizing the interactions of processes in which planar materials are contacted with fluid systems. The described measuring cell configuration in which the flow potential is determined on plate-shaped substrate / electrolyte systems serves to characterize the interactions. Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art Zur Charakterisierung der zwischen elektrisch nicht leitenden Feststoffoberfläche und einem Elektrolyten ausgehenden Wechselwirkungskräfte dienen Strömungspotentialmossungen. Bekanntlich besteht zwischen dem Strömungspotential Es und dem elektrokinetischen Potential ζ die BeziehungTo characterize the interaction between electrically non-conductive solid surface and an electrolyte interaction forces serve Strömungspotentialmossungen. As is known, the relationship exists between the flow potential Es and the electrokinetic potential ζ ^ζ e ^β νΔΡe ^{ζ β νΔΡ} die meistens als Helmholtz-Smoluchowskische Gleichung bezeichnet wird. Darin bedeuten η die Viskosität, ε die elektrische Permittivität und εβ dia spezifische elektrische Leitfähigkeit der Flüssigkeit, die ein gegebenes Porensystem oder ein einziges Kapillarrohr durchfließt. Danach läßt sich das elektrokinetische Potential aus der Neigung der Geraden berechnen, die man beim Auftragen des Strömungspotentials gegenüber dem Druck erhält. Natürlich bezieht sich diese Gleichung auf stationäre Verhältnisse, d. h. der Konvektionsstrom der Doppelschicht muß gleich dem Strom sein, der durch die elektrische Leitfähigkeit der flüssigen Phase hervorgerufen wird.which is usually referred to as Helmholtz-Smoluchowskische equation. Therein, η is the viscosity, ε is the electrical permittivity and εβ is the specific electrical conductivity of the fluid which flows through a given pore system or a single capillary tube. Thereafter, the electrokinetic potential can be calculated from the slope of the straight line obtained when the flow potential is applied to the pressure. Of course, this equation refers to stationary conditions, i. H. the convective current of the double layer must be equal to the current caused by the electrical conductivity of the liquid phase. Der Vorteil der angewendeten Methode (Elektroosmose, Strömungspotential, Elektrophorese) liegt vorwiegend darin, daß bei verhältnismäßig niedrigem Aufwand der Einfluß verhältnismäßig geringer adsorbierter Substanzen auf die Substrateigenschaften erfaßt werden kann. So führt z. B. die Sorption von ca. 10~⁵mol/g eines Kationtensids an synthetischen Faserstoffen nach Flath, H.-J.; Saleh, N.: Zur Bedeutung des Zetapotentials von Faserstoffen für den Färbeprozeß, Acta Polymerika 31 (1980) 8,510-517 zu charakteristischen Änderungen der Hafteigenschaften. Die Messung des Strömungspotentials liefert Informationen über das Zetapotential und die Nettoladungsdichte an der hydrodynamischen Scherebene. Derartige elektrische Parameter können wichtige Faktoren sein, die z.B. auch bei der Bioverträglichkeit von Protheseneinrichtungen bei Einwirkung von Blut oder Gewebeflüssigkeiten von Wichtigkeit sind. Das Strömungs- und damit das Zetapotential sind nur dann unabhängig von der Strömungsgeometrie, wenn die Meßzellenkonfiguration so beschaffen ist, daß bestimmten hydrodynamischen Bedingungen entsprochen wird, d.h. der Fluidstrom muß stationär, inkompressibel, laminar und hergestellt sein. Die beiden letzten Bedingungen schränken gewöhnlich die Anwendbarkeit von Strömungspotentialmeßzellen auf lange Kapillarrohre oder poröse Pfropfen aus verdichteten Teilchen oder Fasern ein. Demzufolge läßt sich die untersuchte Oberfläche nicht ohne weiteres durch verschiedene andere quantitative Oberflächenverfahren untersuchen. In van Wagenen, R. A.; Andrade, J. D.: Flat Plate Streaming Potential Investigations: Hydrodynamics and Electrokinetic Equivalency, J. of Colloid and Interface Science 76 (1980) 2,305-314 und in der DD PS 213 513 wird vorgeschlagen, eine Strömungsmeßzellenkonfiguration anzuwenden, die auf einer Strömung eines Elektrolyten zwischen zwei flachen parallelen Platten, auf denen die Substrate aufgebracht wurden, beruht. Durch diese Anordnung erzielt man eine Vereinfachung der Subitratvorbereitung. Hauptvorteil ist jedoch die Möglichkeit, eine Vielzahl anderer quantitativer Oberflächenanalysoverfahren bei der Untersuchung der Substratoberflächen, z. B. Ellipsometrie, totale innere Roflexionsflureszens, ATR, Licht- und Elektronenmikroskopie, Röntgenfotoelektronenspektroskopie einzusetzen. In van Wagenen, R.A.; Andrade, J. D.: Flat Plate Streaming Potential Investigations: Hydrodynamics and Elektrokinetic Equivalency, J. of Colloid and Interface Science 76 (1980) 2,305-314 werden die hydrodynamischen Verhältnisse bei der Messung des Strömungspotentials in von Elektrolyten durchströmten Plattensystemen analysiert. Hierbei wurde gezeigt, daß bei Einhaltung bestimmter geometrischer Verhältnisse ein stationärer und laminarer Flüssigkeitsstrom in der Meßzelle hergestellt werden kann.The advantage of the method used (electroosmosis, flow potential, electrophoresis) lies predominantly in the fact that the influence of relatively low adsorbed substances on the substrate properties can be detected at a relatively low cost. So z. B. the sorption of about 10 ~ ⁵ mol / g of a cationic surfactant on synthetic fibers according to Flath, H.-J .; Saleh, N .: The importance of the zeta potential of fibers for the dyeing process, Acta Polymerika 31 (1980) 8,510-517 to characteristic changes in the adhesive properties. The flow potential measurement provides information about the zeta potential and the net charge density at the hydrodynamic shear plane. Such electrical parameters can be important factors, which are also of importance, for example, in the biocompatibility of prosthetic devices when exposed to blood or tissue fluids. The flow and thus the zeta potential are only independent of the flow geometry, if the measuring cell configuration is such that certain hydrodynamic conditions are met, ie the fluid flow must be stationary, incompressible, laminar and manufactured. The last two conditions usually limit the applicability of flow-potential measuring cells to long capillary tubes or porous plugs of compacted particles or fibers. As a result, the surface under investigation can not readily be tested by various other quantitative surface methods. In van Wagenen, RA; Andrade, JD: Flat Plate Streaming Potential Investigations: Hydrodynamics and Electrokinetic Equivalency, J. of Colloid and Interface Science 76 (1980) 2,305-314 and in DD PS 213 513 it is proposed to apply a flow cell configuration based on a flow of an electrolyte between two flat parallel plates on which the substrates were applied, based. By this arrangement, one achieves a simplification of Subitratvorbereitung. The main advantage, however, is the ability to use a variety of other quantitative surface analysis methods in the study of substrate surfaces, e.g. B. Ellipsometrie, total internal Roflexionsflureszens, ATR, light and electron microscopy, X-ray photoelectron spectroscopy. In van Wagenen, RA; Andrade, JD: Flat Plate Streaming Potential Investigations: Hydrodynamics and Electrokinetic Equivalency, J. of Colloid and Interface Science 76 (1980) 2,305-314 analyze the hydrodynamic relationships in the measurement of the flow potential in electrolyte-flown plate systems. It has been shown that, in compliance with certain geometrical conditions, a stationary and laminar flow of liquid can be produced in the measuring cell. In der DD PS 213513 werden zur Einstellung und Stabilisierung des Meßspaltes Schraubverbindungen verwendet. Damit ist die Realisierung einer flüssigkeitsdichten Meßanordnung nicht gewährleistet. Darüber hinaus muß der Meßspalt mit den beiden Elektrodenkammern verbunden werden, wobei die stabile Befestigung wiederum durch Anschrauben erfolgt. Diese Art der Zellenkonfiguration besitzt den Nachteil, daß durch die zwischen Meßzelle und Elektrodenkammern entstandenen Schnittflächen die Gefahr des Auftretens undichter Stellen besteht, was zu einer erheblichen Verfälschung des Meßergebnisses beiträgt. Bei mehrmaliger Verwendung dieser Meßzellenanordnung entstehen infolge der mechanischen Beanspruchung durchIn DD PS 213513 screw connections are used to set and stabilize the measuring gap. Thus, the realization of a liquid-tight measuring arrangement is not guaranteed. In addition, the measuring gap must be connected to the two electrode chambers, the stable attachment is again done by screwing. This type of cell configuration has the disadvantage that there is a risk of leaks due to the cut surfaces created between the measuring cell and the electrode chambers, which contributes to a considerable falsification of the measurement result. With repeated use of this measuring cell arrangement arise due to the mechanical stress through