Количественные характеристики процесса смачивания поверхности.

Среди этих характеристик можно назвать те, о которых мы уже говорили:

а) угол смачивания θ и cosθ

Различают равновесные и неравновесные краевые углы. Равновесные Q_p определяются только значениями поверхностного натяжения (поверхностной энергии Гиббса) на границах раздела всех трех фаз. Равновесию отвечает минимум поверхностной энергии Гиббса, поэтому для каждой системы при данных внешних условиях Q_p имеет только одно значение, определяемое по уравнению Юнга:

(2.123)

Неравновесных же краевых углов может быть множество. Далее в тексте индекс p будем опускать, подразумевая под Q равновесное его значение. Следует однако отметить, что в зависимости от условий проведения экспериментов (шероховатость поверхности, наличие неорганических ионов или ПАВ в смачивающей жидкости) измеренный краевой угол может существенно отличаться от Q_Р.

Формирование капли жидкости на твёрдой поверхности в среде газа сопровождается наложением множества факторов: веса капли, шероховатости поверхности и т.п., учесть которые не представляется возможным. Поэтому истинные свойства поверхности можно установить лишь в условиях избирательного смачивания, когда капля исследуемой жидкости (1) помещена в фазу другой жидкости (2), несмешивающейся с первой. Уравнение Юнга в этом случае имеет вид:

(2.124)

Проанализируем это уравнение:

1. Если , то cosQ > 0 и Q < 90⁰. Здесь условию самопроизвольности DG < 0 отвечает процесс формирования такой капли, что 0 < Q < 90⁰. Т.е. в данном случае в «конкурентной борьбе» за поверхность побеждает жидкость 1. Если это – вода, то твёрдая поверхность является гидрофильной, если это масло, то поверхность - олеофильная. При cosQ = 1 и Q = 0⁰ происходит полное смачивание поверхности - растекание жидкости 1 по поверхности в виде тонкой пленки.

2. Если , то cosQ < 0 и Q > 90⁰. В этом случае условию самопроизвольности DG < 0 отвечает процесс формирования такой капли, что 90⁰ < Q < 180⁰. Т.е. жидкость 2 вытесняет с поверхности жидкость 1. Если при этом жидкость 1 – вода, то поверхность олеофильная (гидрофобная), а если масло, то – гидрофильная (олеофобная).

б) работа адгезии W_a.;

в) теплота смачивания.

Количественно теплоту смачивания используют для оценки смачивания поверхности порошков. Количественно оценивают эту величину калориметрическим методом по теплоте смачивания, которая выделяется при погружении порошка в жидкость.

Смачивание приводит к образованию новой границы фаз: тв.т./ж вместо тв.т./г и сопровождается уменьшением поверхностной энергии. ∆ Н_см = изменению полной поверхностной энергии 1 кг твердого вещества при перенесении его из воздуха в жидкость и связана с изменением U^s уравнения Гиббса — Гельмгольца.

Для гидрофильных поверхностей q_см водой больше q_см маслом (орг.ж.).

Характеристикой смачиваемости в этом случае является коэффициент гидрофильности b: (2.125)

Для гидрофильных поверхностей b> 1. Рассмотрим данные по смачиваемости некоторых порошков (табл. 2.4):

Таблица 2.4

q_сми b порошкообразных веществ

Вещество (порошок) q_см10^-3, Дж/кг b

Вода Углеводород

SiO₂ 88, 1 18, 4 (в гексане) 2, 1

активир. уголь 31, 8 93, 3 (то же) 0, 31

крахмал 96, 2 5, 4 (бензол) 17, 8

Измерение краевого угла смачивания

1. Непосредственное проецирование капли на экран, построение касательной к полученной капле из и точки контакта трех фаз и определение краевого угла смачивания геометрически с помощью транспортира либо расчет cosθ по диаметру и высоте капли по формуле:

(2.126)

2. Для измерения краевого угла смачивания θ между двумя несмешивающимися жидкостями пластинку из исследуемого вещества погружают в стеклянную кювету с более легкой жидкостью и на поверхность наносят помощью пипетки более тяжелую.

Для более точного определения исключают загрязнения, окислы на поверхности, адсорбции воздуха.

Пластинку помещают в стеклянную кювету и после смачивания устанавливают в горизонтальное положение. Далее на пластинку вводят пузырек воздуха и далее определяют краевой угол смачивания θ.

⇐ Предыдущая 11 12 13 14 151617 18 19 20 Следующая ⇒