Смачивание, смачивающие агенты, гидрофобизация, гидрофобизирующие агенты (стр. 3 из 3)
Измерение краевых углов
Краевой угол капли жидкости на плоской поверхности твердого тела обычно измеряют гониометрически либо на капле, находящейся на горизонтальной плоскости, либо на газовом пузырьке, подведенном к межфазной границе твердое тело-жидкость.
Краевой угол контакта отсчитывается с помощью объектива микроскопа при прямом наблюдении угла. В результате действия гравитационных сил форма сравнительно крупных капель отличается от строго сферической, что используется в одном из методов измерения поверхностного натяжения.
Измерения краевых углов методом сидящей капли или адгезированного пузырька в настоящее время автоматизированы и компьютеризированы, что позволяет определять значения краевых углов с высокой воспроизводимостью. Современные быстродействующие компьютеризированные приборы позволяют определять краевые углы на проницаемых подложках. Использование приборов, регистрирующих данные со скоростью нескольких сотен в секунду, позволяет измерять эффективный краевой угол капли на бумаге с большой абсорбционной способностью как функцию времени. При экстраполяции кинетических зависимостей к нулевому времени можно определить краевой угол бумаги до начала всасывания капли. В этом состоит полезный способ определения влияния на свободную поверхностную энергию различных добавок, используемых в производстве бумаги. Пример подобного эксперимента приведен на рис. 13.
Рис. 12. Измерение краевого угла с использованием сидящей капли или адгезированного пузырька
Очень простой метод измерения контактных углов, пригодный для скрининга, состоит в измерении диаметра капли стандартного объема, нанесенной на поверхность. Краевой угол рассчитывается из следующего уравнения:
где V— известный объем капли, а — измеряемый радиус капли. Таблица корреляций значений со значениями 2а дана в литературе для капель объемом 10 мкл 171-179). При определении краевых углов важно проводить измерения сразу после нанесения капли на поверхность. Испарение воды приводит к сжатию капли и изменению краевого угла.
Косвенный метод определения краевого угла состоит в измерении капиллярного поднятия жидкости у вертикально расположенной пластинки. Твердую пластинку располагают вертикально и приводят в контакт с жидкостью, затем измеряют высоту мениска h. Краевой угол рассчитывают по уравнению
где P— разность плотностей водной и газовой фаз, h— высота поднятия мениска. Метод оказался особенно эффективным для измерений краевых углов в зависимости от скорости продвижения и отступления мениска, а также для изучения влияния температуры на краевые углы.
Рис. 13. Зависимость краевого угла от времени для четырех различных материалов с примерно одинаковой свободной поверхностной энергией, но различающихся по транспортным свойствам
Рис. 14. Метод капиллярного поднятия используется для измерения краевого угла
Измерение краевых углов — это не очень простая процедура, как это может показаться на первый взгляд. Независимо от метода измерения могут возникать следующие осложнения.
1. Только немногие поверхности твердых тел можно считать достаточно плоскими. Углы, которые образует межфазная поверхность флюид-флюид с твердой поверхностью в отдельных точках твердой поверхности, напрямую зависят от ее макроскопической геометрии. Шероховатости поверхности, размер которых влияет на измерения краевых углов, можно наблюдать с помощью сканирующей электронной микроскопии.
2. Включение низкоэнергетических доменов в высокоэнергетические поверхности сильно влияет на краевой угол. Таким примером могут служить жировые загрязнения на поверхности стекла.
3. Для измерения точных значений краевых углов контактирующие фазы должны находиться в равновесии, что выполняется не всегда по следующим причинам:
- впитывание жидкости в приповерхностную зону твердого тела;
- переориентация поверхностных групп твердого тела, в частности полярных групп при контакте с водой.
На практике условия, при которых измеряются краевые углы, далеки от идеальных. В большинстве случаев наблюдаемые контактные углы сильно зависят от того, наступает ли жидкость на сухую поверхность или отступает от смоченной поверхности. В этом случае наблюдается гистерезис краевого угла. Гистерезис краевого угла всегда весьма значителен при смачивании шероховатых или загрязненных поверхностей.
Рис. 15. На шероховатой поверхности можно измерить различные значения краевого угла
Многие поверхности одновременно являются и шероховатыми, и гетерогенными; на таких поверхностях необходимо измерять краевые углы и натекания, и оттекания. Для измерений гистерезиса краевых углов более всего подходит метод с использованием пластинки Вильгельми.
В целом можно сделать заключение, что на гетерогенной поверхности краевой угол натекания есть мера смачиваемости низкоэнергетической части поверхности, а угол обтекания в большей мере характеризует высокоэнергетическую часть поверхности.