1.5.Вплив адсорбційних шарів на змочування твердих поверхонь

Метою даної роботи є вивчення впливу адсорбційних шарів на змочування твердих поверхонь методом вимірювання крайових кутів.

Рідина тим краще змочує дану поверхню, чим інтенсивніша взаємодія між молекулами поверхні і молекулами рідини порівняно із взаємодією між молекулами рідини. Таким чином ефект змочування залежить з одного боку – від природи змочуваної поверхні, а з другої – від природи змочуюючої рідини. Якщо тверда поверхня стикається одночасно з двома рідинами різної полярності (наприклад з водою і бензолом), то очевидно, ця поверхня буде змочена тією рідиною, молекули якої будуть активніше взаємодіяти з молекулами поверхневого шару твердого тіла. Це явище називається вибірковим змочуванням і широко застосовується для визначення характеру поверхні. Гідрофільна поверхня переважно змочується водою, а гідрофобна (олеофільна) – неполярними вуглеводневими рідинами. Іноді гідрофільність або гідрофобність поверхонь визначають, досліджуючи не вибіркове змочування, а змочування їх водою на повітрі. Для кількісної оцінки змочування здійснюється вимірювання крайового кута змочування  в точці перетину межі розділу фаз (рис.1.5): рідина (р) – газ (г) – _рг, рідина (р) – тверда поверхня (т) – _рт; тверда поверхня (т) – газ (г) – _тг. При цьому мірою змочування є величина В рівна

.

Якщо В  1, то спостерігається розтікання рідини по поверхні твердого тіла під дією рушійної сили, рівної

на одиницю довжини периметра краплі. Якщо В  1 – крапля лежить на поверхні з крайовим кутом, який визначається умовою:

.

Рис.1.5. Змочування твердої поверхні рідиною

Для краплі води, яка лежить на поверхні твердого тіла при В > 0, поверхня вважається гідрофільною, при В < 0 – гідрофобною; В = 0 відповідає точці інверсії змочування. Характер будь-якої поверхні по відношенню до змочування можна легко змінити шляхом нанесення на неї тонкого шару поверхнево-активної речовини, наприклад при адсорбції з розчину. На гідрофільній поверхні молекули поверхнево-активної речовини утворюють адсорбційний шар з вертикально-орієнтованих молекул, поверненими вуглеводневими (неполярними) ланцюгами назовні, а полярними групами - до поверхні. В цьому випадку гідрофільна поверхня стає більш гідрофобною (явище гідрофобізації поверхні). Якщо поверхня гідрофобна, то орієнтація молекул поверхнево-активної речовини буде зворотня і поверхня стане більш гідрофільною (явище гідрофілізації поверхні).

Експериментальне крайові кути визначаються за допомогою методу проектування краплі на екран спеціальним приладом (рис.1.6).

Рис.1.6. Прилад для визначення кута змочування поверхні

Прилад складається з п’яти вузлів: основи (1), ліхтаря (2), об’єктотримача (З), конденсора (4) та екрану вимірювання (5).

Основа приладу складається з чавунної тригранної шини довжиною 1,2 м, змонтованої на металевій рамі. Горизонтальність шини досягається за допомогою трьох підйомних гвинтів. На шині закріплюються рейтери з вказаними вище вузлами.

Джерелом світла служить ліхтар (2), який складається з металевого кожуха, всередині якого міститься електрична лампа потужністю 25 Ватт для напруги у 12 Вольт.

В передній частині ліхтаря розташована оправа з вмонтованою випуклою лінзою і діафрагмою типу "Ірис". Лінза служить для одержання паралельного пучка променів, а діафрагма – для одержання перетину пучка променів. Оправа з лінзою і діафрагмою вільно переміщується вздовж осі ліхтаря.

Напрямок променів регулюється переміщенням ліхтаря за допомогою трьох підйомних гвинтів.

Об’єктотримач (З) складається з великого столика для встановлення триноги. На тринозі монтуються колонка і малий столик, на якому встановлюються проектовані предмети. Положення триноги регулюється за допомогою трьох гвинтів.

Під час дослідів з рідиною на малому столику встановлюються шліф з нанесеною краплею. Для одержання правильного зображення малий столик можна переміщувати у вертикальному положенні. Для цього він містить грубу ручну та мікрометричну подачі. В колонку вмонтовано пристрій з двома механізмами. На одному з них закріплюється скляна лапка, яку можна повертати за допомогою гвинта на будь-який кут. Пряма лапка застосовується в дослідах при вимірюванні крайових кутів, а вигнута – в дослідах при вивченні кінетичного гістерезису рідини.

В другий механізм, встановлений на пристрої, закріплюється скляна паличка, яка служить для притискання повітряної бульбашки.

Конденсор (4) складається з металевого циліндричного кор­пусу і об’єктиву. Об’єктив дозволяє мікрометричне регулювання фокусу. Корпус конденсора можна піднімати або опускати вертикально і повертати навколо осі, перпендикулярної до оптичної осі. Регулюванням конденсора досягається рельєфність зображення на екрані. Конструкція тримача конденсора передбачає встановлення замість конденсора фотоапарату розміром 912 для фотографування проектованого предмету.

Екран складається з металевої рамки, в яку вставлене матове скло. До верхньої частини рамки закріплюється механізм переміщення транспортиру. Транспортир має скло з нанесеними на ньому поділками у вертикальному та горизонтальному напрямках. При вимірюваннях кутів настроювання транспортиру здійснюється гвинтами подачі. Точність відліку по транспортиру рівна 0В.

Для встановлення приладу необхідно зібрати його згідно рис.1.6. Підйомними гвинтами приводять в горизонтальне положення основу приладу. Вузол об’єктотримача перемістити безпосередньо до ліхтаря. Після цього закріплюють конденсор, переміщуючи по шині ближче до об’єктотримача. На протилежному кінці від фонаря встановлюють екран вимірювання. За допомогою переміщення діафрагми ліхтаря вздовж оптичної осі одержують паралельний пучок променів. Малий столик об’єктотримача розташовують горизонтально і на його поверхні розміщують шліф з нанесеною на ньому краплею так, щоб крапля повністю освітлювалась. Це досягається переміщенням столика у вертикальному положенні. Конденсор слід рухати вздовж оптичної осі до одержання чіткого зображення на матовому склі екрану вимірювання. Хрест ниток транспортиру, розташованого на екрані, встановлюють згідно слідуючої схеми:

Рис.1.7. Хрест ниток транспортиру. розташованого на екрані

При вимірюванні змочування рідиною твердих поверхонь відлік необхідно вести по верхній шкалі транспортира.