ПР 2. Краевой угол смачивания

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«РОССИЙСКИЙ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (РОСБИОТЕХ)»

Кафедра: «Промышленный дизайн, технология

упаковки и экспертиза»

Практическая работа № 2

«Краевой угол смачивания»

(по дисциплине «Материаловедение полимерных материалов и композитов»)

Выполнила: ст. группы 22-ХТ-1

Шелковникова Полина Вячеславовна

Проверила:

Тверитникова Изабелла Сергеевна

Москва, 2024

Практическая работа 2

Краевой угол смачивания

Цель работы: изучить методику определения краевого угла смачивания.

Освоить методику расчета краевого угла смачивания с учетом поверхностных

натяжений на границы раздела фаз жидкостей и материалов. Исследовать

влияние типа материала на изменение краевого угла смачивания растворов

методом «лежащей капли».

Теоретическая часть

Смачивание - физическое взаимодействие жидкости с поверхностью

твёрдого тела или другой жидкости. Смачивание бывает двух видов:

- иммерсионное (вся поверхность твёрдого тела контактирует с

жидкостью),

- контактное (состоит из трёх фаз — твердая, жидкая, газообразная).

При соприкосновении двух или нескольких фаз на границе раздела

(например, при соприкосновении жидкости с твердым материалом) образуется скачок свободной энергии. В результате, между фазами возникают силы взаимодействия, пропорциональные свободной энергии. Если энергия связи

между частицами различных фаз преобладает над энергией связи между

частицами в каждой фазе, то сближение сопровождается выделением энергии

и увеличением термодинамической устойчивости всей системы. Такое

взаимодействие между поверхностными слоями двух или более соприкасающихся разнородных фаз называют адгезией.

Адгезионное взаимодействие между жидкостью и твердым телом

распространяется на небольшое расстояние в глубь жидкости. Это расстояние измеряется размерами молекул или несколько больше. По мере удаления слоя жидкости от поверхности твердого тела адгезионное взаимодействие уменьшается, уступая место когезионному, т.е. взаимодействию между молекулами в объеме одной фазы (например, жидкости).

1.1 Смачивание краевой угол

Смачивание — это проявление межмолекулярного взаимодействия на

границе соприкосновения трех фаз: твердого тела, жидкости и газа (или

другой жидкости, не смачивающейся с первой), выражающееся в растекании

жидкости на поверхности твердого тела (рисунок 1).

Рисунок 1 - Изображение капли жидкости

Жидкая поверхность раздела, пересекая твердую поверхность по некоторой линии, называемой периметром смачивания, образует с ней краевой

угол тета - θ.

Капля жидкости на поверхности твердого тела в зависимости от природы

твердого тела, жидкости и среды, в которой она находится, приобретает вид,

изображенный на рисунке 2.

Рисунок 2 - Краевой угол смачивания

Касательные проведенные к поверхности жидкости (σтг, σтж, σжг) через точку соприкосновения трех сред (точка А). Угол θ между касательными и поверхностью твердого, тела, отсчитываемый через жидкость, называется краевым углом. Краевой угол отсчитывается в сторону жидкости.

На единицу длины контура капли, имевшего вид окружности, будут

действовать следующие силы:

σтж - сила поверхностного натяжения между твердым телом и жидкостью;

σжг - сила поверхностного натяжения между жидкостью и газом;

σтг - сила поверхностного натяжения по границе между твердым телом и

газом.

На рисунке 3 представлены различные варианты равновесия трех

соприкасающихся сред.

Рисунок 3 - Различные случаи равновесия

трех соприкасающихся сред

а) капля растекается по поверхности - острый угол;

б) капля частично растекается по поверхности, образуя с ней некоторый

тупой угол;

в) капля остается на поверхности в виде шарика - тупой угол.

Твердое тело наполовину погружено в жидкость, сверху на него помещена

капля жидкости, а снизу подведен пузырек газа (рисунок 4).

Рисунок 4 - Способы изображения трех фаз

Если капля жидкости растекается по поверхности или образует с ней

острый угол (рисунок 4, а), принято говорить, что жидкость смачивает данную поверхность. Смачивают твердую поверхность только те жидкости, которые понижают поверхностное натяжение данного твердого тела на границе с воздухом (например, вода смачивает минеральные вещества с ионной или полярной связью). Твердые поверхности, смачиваемые водой, называются гидрофильными (т. е. «любящими» воду). Поверхности, на которых вода не растекается или образует тупой краевой угол (рисунок 4, б) называются гидрофобными (сажа, парафин, жиры, другие органические соединения).

Гидрофобные неполярные поверхности смачиваются преимущественно

жидкими углеводородами, тогда как гидрофильные - водой. Таким образом,

понижают поверхностное натяжение твердых тел и смачивают их поверхности

только жидкости, родственные им по своей природе - по химическому

строению и полярности.

Зависимость краевого угла от природы соприкасающихся веществ в

условие равновесия капли на поверхности твердого тела можно представить в виде закона Юнга

Cosθ =

Угол θ измеряют всегда в водной фазе.

Для гидрофильных поверхностей θ < 90° и СOS θ > 0, т. е. косинус краевого

угла смачивания положителен.

Для гидрофобных поверхностей θ > 90° и СOS θ < 0, т.е. косинус краевого

угла смачивания отрицателен.

Предельные случаи соs θ = 0 - полное смачивание и соs θ = 180° - полное несмачивание.

Таким образом, смачивание твердого тела (материала) жидкостью связано

с уменьшением поверхностного натяжения твердого тела.

1.2 Связь краевого угла с явлениями когезии и адгезии

Величина краевого угла θ определяется соотношением работ адгезии (WА = σТГ + σЖГ - σТЖ) и когезии (WК=2σЖГ).

Подстановка из уравнения Юнга разности (σТГ - σТЖ) = σжгCOS θ в выражение для WA позволяет рассчитать работу адгезии жидкости к твердому телу по экспериментальным значениям σЖГ и θ

WA = σЖГ (1+ cosθ)

где Wа - удельная работа адгезии жидкости к твердой поверхности, Дж/м2.

Работа адгезии, характеризующая сцепление жидкости с твердой фазой, а

работа когезии определяется как работой на разрыв тела по сечению. В свою очередь, подстановка выражений для работы адгезии и работы когезии жидкости в уравнение Юнга дает уравнение

Cosθ =

В зависимости от значений угла θ различают:

1) несмачивание: краевой угол 180 > θ > 900 (cos θ < 0). Термодинамическое условие несмачивания - WA >

2) неграниченное смачивание: краевой угол 0 < θ < 900 (cos θ > 0).

Термодинамическое условие смачивания:

< WA < WK.

3) полное смачивание (растекание): равновесный краевой угол не

устанавливается, и капля растекается в тонкую пленку. Термодинамическое

условие растекания: σТГ > σТЖ + σЖГ. В этом случае WA > WК.

Адгезия и смачивание — это две стороны одного и того же явления,

возникающего при контакте жидкости с твердым телом. Адгезия

обусловливает взаимодействие между твердым телом и находящейся в

контакте с ним жидкостью, а смачивание — это явление, которое имеет место

на границе трех фаз, из которых одна является твердым телом, а две другие

либо несмешивающимися между собой жидкостями, либо жидкостью и газом.

На практике определение значений адгезии затруднено тем, что истинная

поверхность контакта составляет лишь малую часть полной поверхности

соприкасающихся фаз.

Описание лабораторной установки

Для определения краевого угла смачивания разработан ряд методов,

например, метод принудительного формирования капли; расчет краевого угла по форме капли; метод погружения; по высоте подъема слоя жидкости,

примыкающей к стенке сосуда; определение краевого угла в капиллярах и на нитях; «метод лежащей капли» и т.д.

Схема и общий вид установки для определения краевого угла смачивания

методом лежащей капли показаны на рисунке 10.

1 - источник света; 2 - подставка с исследуемой

поверхностью; 3 - набор линз; 4 - экран

Рисунок 10 - Схема установки для определения краевого угла смачивания методом «лежащей капли».

Метод «лежащей капли» основан на расчете с использованием гео-

метрических размеров капли в зависимости от её формы. Каплю исследуемой жидкости наносят на поверхность образца, освещают с боку и зарисовывают или фотографируют форму капли. На снимке или рисунке проекции капли отмечают высоту и диаметр капли, а так же отмечают точку пересечения трех фаз и проводят касательную наклона для определения краевого угла

смачивания.

Краевой угол капель измеряют, исходя из предположения, что капля

сферична (рисунок 11).

Рисунок 11 - Измеряемые величины

Измерение таким методом краевых углов имеет достаточно большую

инструментальную погрешность, связанную, в основном, с тем, что измерение проводят по одной проекции капли и наличием загрязнений на поверхности.

Необходимо производить несколько измерений и брать средние значения. Это

несколько повышает точность измерения, возможная ошибка измерения краевого угла может составлять 3 - 5 %.

Расчет краевого угла смачивания сферической капли проводят по формуле:

Данные (фото)

Таблица 1.

Поверхность пластины	Диаметр капли, D мм	Высота капли, h мм	cos θ	Краевой угол смачивания	Поверхность фазы	Работа адгезии, Wa Дж/м2