5 Определение краевого угла смачивания лакокрасочным материалом подложки

5.1 Цель работы

Изучить метод определения краевого угла смачивания.

5.3 Теоретические предпосылки

Смачивание и растекание лакокрасочных материалов по поверхности древесины - необходимое, хотя и не единственное условие образования равномерных по толщине покрытий.

Смачивание - явление межмолекулярного взаимодействия на границе соприкосновения трех фаз – твердого тела, жидкости и газа, выражающееся в растекании жидкости по поверхности твердого тела. Жидкость, пересекая твердую поверхность по некоторой линии, образует периметр смачивания. При растекании молекулы взаимодействуют с молекулами твердого тела сильнее, чем между собой. Если молекулы жидкости взаимодействуют друг с другом значительно сильнее, чем с молекулами твердого тела, растекания не произойдет.

Условия смачивания и растекания жидкости по поверхности любого твердого тела определяются действующими в них когезионными и адгезионными силами и свободной энергией поверхностей трехфазной системы твердое тело - жидкость - газ.

Под адгезией подразумевают связь жидкой и твердой фаз на границе их раздела. Ее оценивают работой, которую необходимо затратить для отрыва жидкости от поверхности твердого тела. Когезия – связь между молекулами в объеме жидкой фазы.

Действие сил поверхностного натяжения на каплю жидкости, нанесенной на поверхность твердого тела, можно рассмотреть в случаях, когда жидкость смачивает и не смачивает поверхность (рисунок 5.1). В точке А к межфазным поверхностям действуют: свободная поверхностная энергия или эквивалентное ей поверхностное натяжение твердого тела на границе раздела твердое тело - газ (вектор ), которая стремится растянуть каплю; в обратном направлении действует свободная поверхностная энергия на границе жидкость - твердое тело (вектор); свободная поверхностная энергия жидкости на границе с газом также стремится собрать каплю (вектор). Последний вектор направлен по касательной к поверхности капли и образует с поверхностью твердого тела угол, который условно измеряют со стороны жидкости и называют краевым углом смачивания.

Условие равновесия системы может быть определено как

= +cos,(5.1)

Из условия равновесия капли на поверхности твердого тела работу адгезии Wa можно представить в виде

Wa= (1+ cos), (5.2)

а – жидкость смачивает поверхность твердого тела;

б - жидкость не смачивает поверхность твердого тела

Рис. 5.1 – Действие сил поверхностного натяжения на каплю жидкости на поверхности твердого тела

Для определения краевого угла смачивания применяется оптический метод, предложенный академиком П.А. Ребиндером, и реконструированный микроскоп МИС-11.

Краевой угол смачивания определяют расчетным путем через тангенс угла, который рассчитывается по формуле

tg = , (5.3)

где d – диаметр капли, h – высота капли.

Высоту и диаметр капли ( в делениях шкалы прибора) после достижения ею равновесного состояния измеряют с помощью реконструированного микроскопа МИС-11.

5.3 Оборудование, приборы, материалы

Реконструированный микроскоп МИС-11, пипетка или стеклянная палочна с заостренным концом, испытуемый лакокрасочный материал и образцы древесной подложки.

Расчетная формула получена из допущения, что форма капли идентична шаровому сегменту.

5.4 Порядок выполнения работы

Каплю испытуемого материала с помощью пипетки или палочки наносят на древесную подложку. При этом необходимо, чтобы капля имела форму шарового сегмента. После достижения каплей равновесного состояния определяют высоту капли и диаметр капли с помощью микрометрической насадки микроскопа МИС-11.

Краевой угол смачивания рассчитывают по формуле (5.3).