Метод растекающейся капли

Краевой угол смачивания  или cos является характеристикой гидрофильности (гидрофобности) поверхности мембран. Он определяется как угол между касательной АВ, проведенной к поверхности смачивающей жидкости, и смачиваемой поверхностью твердого тела АА, при этом  всегда отсчитывается от касательной в сторону жидкой фазы. Касательную проводят через точку соприкосновения трех фаз: твердой фазы (мембраны), жидкости (дистиллированная вода) и газа (воздух)

Метод растекающейся капли: краевой угол смачивания ⁰ капли жидкости (ж) на твердой поверхности (т); третья фаза -газ (г)

Граничный контур (периметр основания капли) называется линией трехфазного контакта (ЛТК). Этот термин подчеркивает, что в смачивании участвуют три фазы: 1) твердое тело, 2) смачивающая жидкость, 3) фаза-«предшественник», которая находилась в контакте с твердой поверхностью до подвода жидкости [1].

 

 

В соответствии с теорией Юнга-Лапласа, краевой угол определяется конкуренцией двух сил, действующих на ЛТК [2] Одна сила - это притяжение молекул жидкости к ближайшим молекулам жидкости на поверхности капли. В расчете на единицу длины ЛТК это сила поверхностного натяжения жидкости y жг (в мН/м).

Другая сила создается притяжением тех же молекул ЛТК к ближайшим молекулам на поверхности твердое тело-газ. Эта сила направлена вдоль поверхности твердого тела во внешнюю сторону от ЛТК. Юнг назвал ее силой адгезии (в мН/м) (adhesion - прилипание). Равновесный краевой угол ₀ находят из условия механического равновесия на ЛТК по основным размерам капель жидкости, наносимых на твердые поверхности: высоте h и диаметру основания каплиd. Значения cos  рассчитывают по формуле ₀:

 

Таким образом, для определения краевого угла смачивания необходимо измерить высоту капли, h, и диаметр ее основания d. Параметры капли h и d измеряют с помощью установки [3] основными узлами которой являются катетометр, измерительная ячейка-кювета и осветительное устройство, обеспечивающее контрастное изображение капли и исследуемой поверхности.

Измерения проводят следующим образом. Измерительную ячейку 2 устанавливают на столик-держатель 3. На подставку в измерительной ячейке 2 помещают исследуемую мембрану и включают лампу осветителя 9. Лампу следует включать только на время измерения. Отворачивают винт 8 и устанавливают зрительную трубу таким образом, чтобы объектив 7 находился примерно на уровне исследуемой мембраны. Закрепляют зрительную трубу с помощью винта 8. После этого, перемещая фокусирующим винтом 4 препаратоводителя вперед и назад держатель 3, а также перемещая его вправо и влево винтом 4, добиваются резкого изображения профиля пластинки в окуляр-микрометре 5. Затем в кювету наливают 20 мл исследуемой жидкости, так, чтобы уровень жидкости равнялся половине высоты подставки в измерительной ячейке 2. С помощью микрошприца осторожно наносят каплю этой жидкости (1 мм³) на поверхность мембраны у самого ее края, обращенного в сторону объектива, и кювету закрывают крышкой 1. С помощью винта 4 окончательно регулируют положения держателя для получения наиболее резкого изображения контуров капли и пластинки. При этом нужно учесть, что контрастность изображения зависит также и от степени освещенности ячейки.

Параметры h и d определяют с помощью окуляр-микрометра 5. В фокальной плоскости окуляра винтового окуляр-микрометра установлена подвижная шкала, разделенная на 10 делений, с перекрестием. Путем вращения барабана микрометрического винта шкалу можно вращать на 360 градусов.

С помощью винта 4 добиваются такого положения капли, чтобы она вся располагалась в поле зрения окуляра между делениями 0 и 10. Отметим, что изображение капли на мембране получается перевернутым. Для измерения диаметра основания капли вращением окуляр-микрометра 5 перемещают его перекрестие по вертикали и совмещают перекрестие с изображением пластинки (с границей раздела капля - поверхность пластинки). Отмечают границы левого и правого угла капли в единицах деления шкалы, n₁ и n₂, а затем по разнице n₂ - n₁ вычисляют параметр d. Аналогично определяют высоту капли, предварительно повернув шкалу на 90 градусов.

 

1 - крышка измерительной ячейки; 2 - измерительная ячейка; 3 - столик-держатель; 4,8 - регулировочные винты; 5 - окуляр-микрометр; 6 - зрительная труба; 7 - объектив; 9 - осветитель; 10 - рукоятка для регулирования напряжения

 

Схема установки для измерения краевых углов смачивания

Согласно стандартной методике разработанной для непористых объектов, при исследовании смачивания поверхностей водой измерения краевых углов можно начинать через интервал от 20 до 25 мин после нанесения капли. Вместе с тем, ионообменные мембраны обладают способностью впитывать воду через поры и трещины на их поверхности. Поэтому при исследованиях мембран измерения углов смачивания проводят через 1, 3, 5, 20 минут с момента нанесения капли. Вместо дистиллированной воды используют 0.02 М раствор NaCl, идентичный раствору, применяющемуся для измерения вольтамперных характеристик и хронопотенциограмм мембран. Объем капли раствора составляет 1мм³.

 Метод прикрепленного пузырька

Плюсом метода прикрепленного пузырька по сравнению с методом покоящейся капли является полная гидратация исследуемой поверхности мембраны. Таким образом, можно ожидать, что поверхностная энергия между водой и мембраной не будет изменяться в ходе измерения геометрических параметров пузырька воздуха, на границе раздела мембрана-вода [4]. В данной методике используется та же установка, что и в первом методе (см. рисунок 2). Измерения краевых углов производится в трехфазной системе, состоящей из воды, поверхности мембраны и пузырька воздуха или октана.

 

Краевые углы и поверхностные энергии, соответствующие методике прикрепленного пузырька с пузырьком воздуха

Для определения краевого угла смачивания _а также, как и в методе покоящейся капли, необходимо измерить высоту капли, h, и диаметр основания капли, d, прикрепленной с нижней стороны мембраны.

Для осуществления этих измерений мембрану зажимают в специально сконструированной рамке. Рамку закрепляют в ячейке 8 таким образом, чтобы мембрана была полностью погружена в 0.02 М раствор NaCl и располагалась перпендикулярно силе тяжести Земли.

а                                               б

Специально сконструированную иглу шприца в форме буквы Г подводят к нижней поверхности мембраны и выдавливают пузырек воздуха объемом 0,01 см3. Иглу аккуратно удаляют. Геометрические параметры пузырька фиксируют с помощью фотокамеры Nikon Coolpix L2 через 1, 3, 5, 20 минут с момента прикрепления пузырька. Полученное цифровое изображение обрабатывают с помощью программы Corel Draw и определяют искомый угол смачивания.

Перевёрнутое изображение прикрепленного к поверхности мембраны пузырька воздуха (а) и пример компьютерной обработки полученных фотографий (б)

Измерения проводят для 10-20 пузырьков воздуха. Усредненный краевой угол смачивания рассчитывают, с использованием метода регрессионного анализа обработки экспериментальных данных.

Углы смачивания поверхности серийно выпускаемой мембраны МА-40 и мембран с поверхностью, модифицированной сильными полиэлектролитами (определены методом прикрепленного пузырька)

 

Задание I

Определить значения краевых углов смачивания волокон олигомером.

 

РАБОТА 3

ИЗМЕРЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ОЛИГОМЕРНЫХ И ПОЛИМЕРНЫХ СИСТЕМ МЕТОДОМ ВИЛЬГЕЛЬМИ

 

Универсальный метод, особенно подходит для измерения поверхностного натяжения в течение длительного промежутка времени.

Основан на взвешивании пластинки, погруженной в жидкость.

При этом жидкость смачивает пластину вдоль вертикального контура. Стандартная пластина остается своим нижним краем на нулевом уровне (на уровне поверхности жидкости) на протяжении всего измерения.

Поверхностное натяжение рассчитывается на основании измеряемой силы (F), длины смачиваемой поверхности (L) и краевого угла смачивания (cos θ). Стандартные пластины выполняются из материалов, которые очень хорошо смачиваются, т.е. cos θ = 0°.

Методика эксперимента

Этот метод является разновидностью метода отрыва кольца и заключается в измерении силы, втягивающей вертикальную пластину в жидкость.

Установка для измерения поверхностного натяжения этим методом состоит из пружинного (или другого типа) динамометра, представляющего собой кварцевую или вольфрамовую пружину 3, подвешенную в стеклянной трубке 2 к крышке 1 (рис. 6). На нижнем крючке пружины подвешена тонкая стеклянная пластина 4, вмонтированная верхним краем в оправу. Такой пластиной может служить покровное стекло 20200,1 мм для микроскопических исследований, края которого следует отполировать для обеспечения строго прямоугольного периметра. Сосуд 5 с исследуемой жидкостью устанавливают на столике, укрепленном на вертикальной кремальере 6. При соприкосновении с поверхностью жидкости пластина 4 силами поверхностного натяжения, действующими по ее периметру смачивания, втягивается в жидкость до тех пор, пока сила жесткости пружины и архимедова сила не уравновесят втягивающую силу. Из условия механического равновесия пластины при полном ее смачивании жидкостью можно получить следующее выражение для расчета поверхностного натяжения:

где а и b – соответственно толщина и ширина пластины; – плотность жидкости; g – ускорение свободного падения; k – константа жесткости пружины; х – растяжение пружины после соприкосновения пластины с поверхностью жидкости.

Рис.6. Схема установки для определения поверхностного натяжения методом втягивания пластины: 1 – крышка; 2 – стеклянная трубка; 3 – вольфрамовая пружина; 4 – пластина; 5 – сосуд с исследуемой жидкостью; 6 – кремальера

 

Определяя растяжение пружины х, окулярную риску катетометра совмещают, например, с верхней точкой крючка подвески пластины и делают отсчет по шкале катетометра. Далее столик с исследуемой жидкостью медленно поднимают до соприкосновения пластины с поверхностью жидкости; после прекращения втягивания пластины делают второй отсчет по шкале катетометра и по разности с первым определяют х. Измерения повторяют два-три раза; полученные данные заносят в таблицу 7.

Таблица 7. Измерение растяжения пружины динамометра

 

Для расчета поверхностного натяжения, по величине х необходимо определить константу жесткости пружины k. К пружине подвешивают чашечку, близкую по весу к пластине, и с помощью катетометра определяют растяжение пружины х0 при различных нагрузках Р (используются разновесы аналитических весов). Полученные данные заносят в таблицу 8.

Таблица 8. Расчетные данные, полученные методом втягивания

Константу k рассчитывают по угловому коэффициенту градуировочного графика – прямой линии в координатах Р=f(x0). По экспериментальным значениям k и растяжения х пружины (после соприкосновения пластины с поверхностью жидкости) по формуле (16) рассчитывают .

⇐ Предыдущая12345

Поделиться: