Смачивание, смачивающие агенты, гидрофобизация, гидрофобизирующие агенты (стр. 1 из 3)

Реферат

по химии

на тему:

"Смачивание, смачивающие агенты, гидрофобизация, гидрофобизирующие агенты"

2009

Растекание жидкостей по поверхностям

Капля жидкости, помещенная на твердую поверхность, может растекаться по ней таким образом, что площади поверхностей жидкость-твердое тело и жидкость-газ увеличатся. При этом площадь поверхности твердое тело-газ сократится, а краевой угол и между каплей и поверхностью твердого тела уменьшится.

Величина краевого угла и определяется конкуренцией между стремлением капли растечься по поверхности твердого тела и ее стремлением сжаться для минимизации своей собственной поверхности.

Растекание продолжается до тех пор, пока система не достигнет равновесия. Степень растекания контролируется поверхностным натяжением жидкости Ylg, поверхностным натяжением твердого тела Ysgи межфазным натяжением на границе жидкость-твердое тело Ysl- Возникающие при этом силы показаны на рис. 2.

Свободная поверхностная энергия твердого тела Ylgспособствует растеканию капли по поверхности, т. е. сдвигу точки трехфазного контакта. Отсюда ясно, что растеканию капли соответствует высокая энергия поверхностей. Межфазное натяжение Ysl, а также горизонтальная компонента поверхностного натяжения Ylgжидкости действуют в противоположном направлении. При равновесии результирующая сила равна нулю:

Это выражение известно как уравнение Юнга. Оно стало основой для понимания явления растекания на твердых поверхностях.

Рис. 1. Растекание капли жидкости по поверхности твердого тела

Рис. 2. Поверхностные силы, определяющие смачивание

Растекание одной жидкости по поверхности другой жидкости можно рассмотреть аналогичным образом. Поскольку межфазная граница жидкость-жидкость не является плоской, для описания системы необходимо ввести также контактный угол. При условии равновесия получим:

Межфазная граница между двумя жидкостями может быть плоской, если одна из жидкостей, например L2, имеет высокую вязкость. Тогда cosбудет равен 1, и уравнение становится идентичным уравнению Юнга. Полезной величиной является коэффициент растекания 5, определяемый как

Растекание происходит самопроизвольно, до тех пор пока S > 0. При растекании одной жидкости по поверхности другой коэффициент растекания записывается аналогичным образом:

В последнем случае величину коэффициента растекания можно легко определить, поскольку поверхностные натяжения, как и межфазное натяжение г, можно либо найти в справочных таблицах, либо измерить, используя стандартные методы. Это позволяет ответить на вопрос, станет или нет жидкость растекаться по поверхности другой жидкости.

Однако следует отметить, что анализ процесса растекания на основе значений поверхностных и межфазных натяжений, взятых из литературы, может оказаться неточным. Во-первых, рассмотренная выше теория основана на полной взаимной нерастворимости. На самом деле несмешивающиеся жидкости всегда в какой-то степени растворяются друг в друге, что существенно влияет на величины г. В связи с этим коэффициент растекания будет изменяться во времени. В некоторых случаях это может проявляться в перемене направления растекания. Если на начальной стадии процесса растекания жидкие фазы становятся взаимно насыщенными, то коэффициент растекания может стать отрицательной величиной. В результате будет происходить стягивание пленки с образованием на поверхности плоских линз.

Рис. 3. Поведение капли одной жидкости на поверхности другой жидкости

Во-вторых, примеси, содержащиеся в жидких фазах, драматическим образом влияют на процесс растекания. В системе с двумя несмешивающимися жидкими фазами г, как правило, понижено из-за присутствия примесей в воде или органической фазе. Примеси, содержащиеся в воде, сильно влияют на поверхностное натяжение г_LG, величина которого уменьшается. Примеси в масляной фазе обычно не так сильно влияют на величину г_LG. В то же время примеси, содержащиеся в одной из фаз, распределяются между фазами, приводя к изменению значений всех коэффициентов г. По этим причинам предсказать суммарное влияние примесей на процесс растекания достаточно трудно.

Наглядным примером влияния примесей на процесс растекания является важная проблема — растекание масла, например разлитой нефти, по поверхности воды. При известных значениях поверхностных и межфазных натяжений коэффициент растекания Sможно рассчитать по уравнению. При этом необходимо учитывать, что поверхностное натяжение воды повышается в присутствии соли, поэтому Sувеличивается; соответственно, нефть легче растекается по поверхности морской воды, чем по поверхности пресной воды. Примеси в масляной фазе значительно снижают его поверхностное натяжение, что также приводит к увеличению коэффициента S. Таким образом, загрязненная нефть или нефть, содержащая большое количество смол и других поверхностно-активных компонентов, будет легче растекается, чем чистые углеводороды, по поверхности воды.

Концепция критического поверхностного натяжения твердых тел

Возможность растекания определенной жидкости по определенной подложке зависит от природы как жидкости, так и твердого тела. При изучении смачивания важно знать соответствующие характеристики подложки. Однако определить поверхностное натяжение или свободную поверхностную энергию твердого тела прямыми методами нельзя. Для этой цели обычно используется подход Зисмана. Он ввел полезное понятие низкоэнергетических поверхностей в соответствии с их смачиваемостью. Для многих серий жидкостей в контакте с твердыми телами показано, что краевой угол уменьшается с уменьшением поверхностного натяжения жидкости. В гомологическом ряду неполярных жидкостей и при их контакте с одним и тем же твердым телом увеличение cos с уменьшением поверхностного натяжения жидкости происходит линейно.

Критическое поверхностное натяжение жидкости у_с определяется как точка, в которой прямая, выражающая зависимость cos от поверхностного натяжения жидкостей, пересекает линию нулевого краевого угла, т. е. линию, соответствующую полному смачиванию. На рис. 4 у_с = 5 мН/м. Теоретически все жидкости, поверхностное натяжение которых г_LG равно или ниже у_с, должны растекаться по этой поверхности. Однако на практике у_с не является постоянной величиной для данного твердого тела, а несколько меняется в зависимости от природы жидкости.

Такие закономерности часто проявляются при смачивании низкоэнергетических поверхностей. Даже в случае негомологичных жидкостей зависимость cos от у_с хорошо аппроксимируется прямой линией. Однако эта линия может искривляться в случае образования водородных связей между молекулами жидкости и молекулами на поверхности твердого тела.

Построение графика Зисмана является относительно прямым способом определения критического поверхностного натяжения. Метод получил широкое распространение для оценки свободной поверхностной энергии низкоэнергетических твердых тел. В таблице 1 приведены значения критического поверхностного натяжения ряда обычных полимеров, а в табл. 2 — соответствующие значения для разных функциональных групп. Данные в табл. 2 были рассчитаны на основе большого числа экспериментально определенных значений у_с для полимеров.

Рис. 4. Зависимость Зисмана для и-алканов на политетрафторэтилене

Как видно из табл. 2, величина у_с для твердых тел характеризует молекулярный состав поверхности. Поверхности с наименьшими значениями у_с и, следовательно, с наименьшими поверхностными энергиями состоят из плотноупакованных групп CF3. Замена одного атома фтора на атом водорода приводит к заметному возрастанию величины у_с. Низкое значение у_с указывает, как правило, на низкую адгезию жидкостей к поверхностям, содержащим трифторметильные группы. Из таблицы 2 можно также заключить, что СНз-группы характеризуются очень малыми значениями у_с по сравнению с СН2-группами. Отсюда следует, что поверхности с высоким содержанием метальных групп должны иметь низкие поверхностные натяжения, что соответствует действительности. Наиболее распространенное силиконовое масло полидиметилсилоксан служит наилучшим примером такой поверхности, обогащенной метальными группами.

Критическое поверхностное натяжение и создание покрытий

Концепция критического поверхностного натяжения твердых тел применима для многих практических целей, например при нанесении покрытий на поверхность. Чтобы покрытие растекалось по поверхности субстрата, поверхностное натяжение жидкости должно быть ниже критического поверхностного натяжения субстрата. Хорошо известный дефект покрытий, так называемая рябизна, также связан с поверхностным натяжением. Загрязнения поверхности имеют более низкие значения критического поверхностного натяжения по сравнению с окружающей их чистой поверхностью, тем самым ужесточая требования к покрытию в смысле более низкого поверхностного натяжения. Поверхностное натяжение покрытия определяется природой полимера и растворителя. Полимеры обычно имеют сравнительно высокие поверхностные натяжения, а поверхностное натяжение органических растворителей находится в пределах 20-30 мН/м. Если сравнивать растворители одного и того же класса, можно заметить, что быстро испаряющиеся растворители обычно имеют более низкие значения поверхностного натяжения, чем их медленно испаряющиеся аналоги. Кроме того, растворители с более разветвленными молекулами также характеризуются более низким поверхностным натяжением. Поверхностное натяжение изопропилового спирта, удовлетворяющего обоим упомянутым выше требованиям, равно 21.4 мН/м, что гораздо ниже, чем у других органических растворителей. Очевидно, что чем выше содержание изопропилового спирта в покрытии, тем ниже его поверхностное натяжение. Поверхностное натяжение технологически пригодных покрытий должно отвечать интервалу 25 - 32 мН/м. Это достаточно низкие значения, чтобы обеспечить необходимое смачивание большинства поверхностей, т. е. эти значения ниже критических поверхностных натяжений субстратов.