4. Смачивание поверхности

4.1. Смачивание поверхности и растекание жидкостей

Cмачивание поверхности наблюдается на границе раздела трёх фаз: Г — Т — Ж или Ж₁ — Т — Ж₂. Смачивание обусловлено наличием межмолекулярных сил взаимодействия, а в ряде случаев — процессами в поверхностном слое смачиваемого тела (образование твёрдых или жидких растворов, хемосорбция и диффузия). Смачивание приводит к искривлению поверхности жидкости (образованию мениска), растеканию жидкости и пропитке пористых тел (рис. 4.1).

_{ж – г}

_{т – ж} _{т – г}

Рис. 4.1. Смачивание

Мерой смачивания является краевой угол смачивания  между поверхностью твёрдого тела (или жидкости) и плоскостью касательной к поверхности смачивающей жидкости в одной из точек контура смачивания. После нанесения капли жидкости на твёрдую поверхность начинается процесс смачивания. Через некоторое время устанавливается равновесие. Равновесное значение угла смачивания на идеально гладкой однородной поверхности твёрдого тела можно рассчитать по уравнению Юнга:

cos = (_т – г – _т – ж) / _ж – г ,

где _т – г — поверхностное натяжение на границе раздела “твёрдое тело – газ”; _т – ж — поверхностное натяжение на границе раздела “твёрдое тело – жидкость”; _ж – г — поверхностное натяжение на границе раздела “жидкость – газ”.

Для реальных тел наблюдается отклонение статических краевых углов от равновесных значений. Возникает гистерезис смачивания.

Гистерезис смачивания проявляется и в различии краевых углов натекания и оттекания при перемещении жидкости по поверхности твёрдого тела. Причиной гистерезиса может быть шероховатость поверхности, особенности структуры поверхностного слоя, релаксационные процессы в жидкой фазе и другие явления.

Равновесие капли жидкости на поверхности твёрдого тела выражается уравнением:

_т – г = _т – ж + _ж – г cos.

Учитывая это уравнение, можно найти работу смачивания:

А_смач. = _т – г – _т – ж = _ж – г cos.

Нередко из-за возможного растворения поверхности твёрдого тела в нанесённой на него капле жидкости изменяются величины _т – ж и _ж – г , а значение _т – г остаётся неизменным. Так, при растекании капли жидкого металла по поверхности твёрдого металла наблюдается интенсивное растворение одного металла в другом и возрастание площади смоченной поверхности.

Процесс смачивания зависит от природы и структуры соприкасающихся веществ:

• если  = 0, то смачивание полное;

• если 0 <  < 90, то смачивание неполное;

• если 90 <  < 180, то наблюдается плохое смачивание (часто говорят, что смачивание отсутствует).

Например, смачивание кварца водой полное ( = ), а парафин водой практически не смачивается ( = 106). Жидкие металлы хорошо смачивают металлическую поверхность и не смачивают оксидированную поверхность металлов. Оценка растекания производится по данным измерения величины поверхности, смоченной определённой массой вещества. Часто смоченная поверхность достигает огромных размеров, особенно если одна жидкость хорошо растекается по другой жидкости.

Смачивание играет важную роль в металлургических, флотационных и других технологических процессах, в текстильном производстве, при изготовлении и обработке фотоматериалов, при нанесении лакокрасочных покрытий, при пропитке материалов, склеивании и т.д.

Процессы смачивания жидкостью поверхности твёрдого тела вызывают ряд физических явлений: капиллярное поднятие в порах, плоских щелях

и цилиндрических капиллярах, капиллярное течение жидкости, электрокапиллярные явления,

капиллярную конденсацию жидкости.