2. Смачивание

1.2.1 Краевой угол

Краевым углом (углом смачивания) обозначается угол, который образует капля жидкости на поверхности твердого вещества к данной поверхности. Размер краевого угла между жидкостью и твердым веществом зависит от взаимодействия между веществами на контактной поверхности. Смачивание является критерием адгезии для жидкостей [14].

На рисунке 1.3. Рассмотрим равновесие в системе, в которой капля жидкости помещена на твёрдую поверхность.

Рисунок 1. ̶ Теория смачивания [14]

Краевой угол  измеряется в сторону более полярной фазы (в данном случае в сторону воды). Обозначение _Т-Г показывает поверхностное натяжение между твердым телом и газовой фазой, _Т-Ж показывает поверхностное натяжение между твердым телом и жидкой фазой, а _Ж-Г показывает поверхностное натяжение между жидкой и газовой фазой [14].

Для измерения краевого угла необходимо провести касательную через 3 фазы (жидкость, газ, твердое тело). Угол между касательной и твердой фазой называют cos , краевым углом смачивания.

Для состояния равновесия можно записать следующее условие:

(1)

При проецировании на ось Х получим выражение:

(2)

Из предыдущего выражения можно выделить cos  и получится уравнение Юнга.

(3)

где  ̶ краевой угол смачивания, значение которого характеризует взаимодействие в системе Т-Г-Ж;

cos  ̶ смачивание.

Если _Т-Г > _Т-Ж, то 0 < cos  < 1, из чего следует, что угол  – острый (наступающий), а поверхность ̶ гидрофильная. Если  _Т-Г >  _Т-Ж, то 0 < cos  < 1, из чего следует, что угол  – тупой (отступающий), а поверхность ̶ гидрофобная [14].

В зависимости от угла  различают следующие типы реализации явления смачивания:

а) Смачивание 0°˂  ˂90° или 0˂ cos  ˂1.

Рисунок 2 ̶ Схема смачивание от 0° до 90°

б) Полное смачивание (растекание)  ≈ 0° или cos  ≈ 1.

Рисунок 3 ̶ Схема полное смачивание ≈0°

в) Инверсия смачивания  = 90° или cos  = 0.

Рисунок 4 ̶ Схема инверсия смачивания

г) Не смачивание или 0 ˂ cos  ˂ -1.

Рисунок 5 ̶ Схема не смачивания

д) Полное не смачивание  =180° или cos  = -1.

Рисунок 6 ̶ Схема полного не смачивания

1.2.2 Работа адгезии и когезии

Равновесие в трехфазной системе определяется балансом сил взаимодействия молекул внутри каждой фазы и сил взаимодействия поверхностных молекул двух фаз между собой, т.е. явлениями когезии и адгезии соовтетственно. Прочность данных взаимодействий оценивают количеством энергии, необходимой для их разрыва, т.е. работой когезии и адгезии [11].

Для расчета работы адгезии используют уравнение Дюпре:

(4)

Рассмотрим техническую схему выполнения работы адгезии по уравнению.

Рисунок 7 ̶ Схема выполнения работы адгезии [14]

Для расчета работы когезии А_К наединицу площади используют уравнением Дюпре:

(5)

Рассмотрим техническую схему выполнения работы когезии по уравнению.

Рисунок 8 ̶ Схема выполнения работы когезии [14]

Для отрыва адгезива от субстрата должно соблюдаться условие - работа когезии должна быть выше работы адгезии, и тогда разрыв произойдёт между жидкой и твердой фазой. Если работа когезии ниже, чем работа адгезии, то разрыв произойдёт внутри фаз (жидкая или твёрдая) [11].

Используя уравнение Юнга, качественно оценим влияние когезии и адгезии на равновесие в трехфазной системе.

(6)

(7)

Используя это соотношение, мы получим уравнение Дюпре-Юнга:

(8)

(9)

(10)

Таким образом, при смачивании если 0˂ cos ˂1 и следовательно есть следующая зависимость:

При не смачивании, должно выполнятся условие -1˂ cos ˂0 то,

.

Следовательно, переход от несмачивания к смачиванию обеспечивается снижением и увеличением .

Следует, что при смачивании свободная энергия единицы поверхности твёрдого тела уменьшается на величину _Т-Г×cos, которую принято называть натяжением смачивания [9].

Работа когезии А_к характеризует энергетические изменения поверхностей раздела при взаимодействии частиц одной фазы [9].

Из уравнения следует, что на отрыв жидкости от поверхности твёрдого тела при полном смачивании (когда cos  = 0) затрачивается работа, необходимая для образования двух жидких поверхностей ̶ (2×_ж-г).

Это значит, что при полном смачивании жидкость не отрывается от поверхности твёрдого тела, а происходит разрыв самой жидкости, т.е. при полном смачивании  _ж-г  _ж-т.

Подставив в уравнение Дюпре-Юнга значения работ адгезии и когезии, получим:

(11)

Для характеристики смачивающих свойств жидкости используют также относительную работу адгезии:

(12)

где z ̶ характеристика смачивания жидкости.