Краевой угол смачивания

Многие межфазные явления возникают в ситуациях, когда встречаются три фазы. Наиболее распространенной ситуацией является контакт между твердым телом, жидкостью и газом. Три фазы встречаются на так называемой трехфазной контактной линии. Когда система находится в стационарном состоянии, линия трехфазного контакта неподвижна, так как существует равновесие касательных сил, вызванных межфазным и поверхностным натяжением .

В случае контакта жидкости с твердым телом и газом равновесный краевой угол смачивания (или контактный угол) Θ _C формируется на линии трехфазного контакта. Поверхностная энергия твердого тела σ _S действует вдоль поверхности твердого тела. Энергия поверхности раздела твердое тело-жидкость σ _SL действует в противоположном направлении, а поверхностное натяжение σ _L жидкости действует по касательной к поверхности капли. Равенство векторных сил (см. рис. 1 ) можно описать простым скалярным уравнением. Проекция вектора на плоскость контакта между жидкостью и твердым телом дает уравнение Юнга :

Рисунок 1: Краевой угол на линии контакта твердое тело-жидкость-газ

Поверхностная энергия твердого тела и поверхностное натяжение между твердым телом и жидкостью обычно неизвестны. Для определения этих величин используются модели, учитывающие различные типы взаимодействия между жидкостью и твердым телом .

Равновесный краевой угол имеет два экстремума. При 0° капля жидкости полностью растекается и образует тонкую (мономолекулярную) пленку. Это называется полным смачиванием. Под углом 180° капля образует шар и касается твердого тела только в одной точке. Это называется полным обезвоживанием. В зависимости от применения желателен краевой угол, как можно более близкий к минимальному или максимальному значению. Примером материала с очень большим краевым углом является керамика с эффектом лотоса, которую можно легко очистить, поскольку вода легко скатывается. Пример малого краевого угла можно найти в производстве красок и лаков, где требуются жидкие составы, которые распределяются как можно более равномерно.

Равновесный краевой угол можно измерить оптически с помощью системы измерения краевого угла и анализа контура серии ОСА методом сидячей капли .

Метод сидячей капли — Оптическое определение краевого угла

Углы смачивания можно определить с помощью системы измерения оптического угла смачивания и анализа контуров серии ОСА . Схема, показанная на рис. 1 , используется для захвата изображения капли жидкости, находящейся на твердом теле (неподвижная капля), и последующего ее анализа с помощью программного обеспечения. Оценка значений шкалы серого записанного изображения позволяет обнаружить так называемую базовую линию (контакт между каплей и твердым телом) и контур капли (см. рис. 2 ). Самый простой способ определить правый и левый краевые углы — провести касательные на пересечениях контура капли и базовой линии. В дополнение к этому касательному методу программное обеспечение от DataPhysics Instruments предлагает еще четыре автоматических, а также один ручной метод для оценки краевого угла.

Рисунок 1: Схематическая установка для метода сидячей капли

Для автоматических методов контурная линия подгоняется к контуру капли на основе математического уравнения. Последний описывает окружность при использовании метода высоты/ширины, эллипс при использовании метода эллипса и многочлен более высокого порядка при использовании полиномиального метода.

В отличие от этих чисто математически мотивированных подгонок, четвертый автоматический метод, так называемый метод Юнга-Лапласа, учитывает физические свойства капли (сравните пояснения для метода подвесной капли ). Масштаб изображения, локальное ускорение свободного падения и плотности жидкости и окружающей среды должны быть известны соответственно.

В целом метод Юнга-Лапласа дает наиболее надежные результаты, особенно для больших краевых углов и больших капель. Однако следует иметь в виду, что при использовании метода Юнга-Лапласа всегда получается общий краевой угол для левого и правого пересечения с базовой линией, поскольку расчет предполагает симметричное падение.

Определение поверхностной энергии твердого тела

Для определения поверхностной энергии твердого тела измеряют краевые углы смачивания исследуемых жидкостей, поверхностное натяжение которых, включая их дисперсионную и полярную части , известны. Эти дисперсионные и полярные части используются для расчета межфазного натяжения между твердым телом и жидкостью на основе подходящей модели. Часто применяемой моделью является модель Оуэнса, Вендта, Рабеля и Кельбле ( OWRK-модель ), которая рассматривает среднее геометрическое дисперсионной и полярной частей поверхностного натяжения жидкости и поверхностной энергии твердого тела:

Подставив это выражение в уравнение Юнга, можно получить линейное уравнение вида y=mx+c:

Рисунок 1: Линия регрессии для определения поверхностной энергии

В этом уравнении у и х содержатся известные величины, а именно измеренный краевой угол, а также дисперсионная и полярная части поверхностного натяжения исследуемой жидкости. Искомые дисперсионная и полярная части поверхностной энергии твердого тела содержатся в пересечении оси с и в наклоне m соответственно. Эти параметры можно оценить, создав линию регрессии (см. рис. 1 ), когда измерены краевые углы по крайней мере двух тестовых жидкостей.

Однако, поскольку линия регрессии, основанная всего на двух точках, не содержит информации о точности результата, рекомендуется измерение краевого угла смачивания как минимум с тремя испытательными жидкостями. Как правило, использование дийодметана, этиленгликоля и тиодигликоля в качестве тестовых жидкостей дает хорошие результаты. Программное обеспечение ОСА выполняет описанную оценку автоматически и включает, помимо OWRK-модели, еще восемь теорий для определения поверхностной энергии твердого тела.

Поверхностное натяжение и поверхностная энергия

Объемная фаза – это область без беспорядочных изменений физических параметров. Контакт между двумя различными фазами приводит к возникновению фазовой границы. Область контакта называется интерфейсом. Существует пять различных типов поверхностей раздела: твердое-твердое, твердое-жидкое, твердое-газообразное, жидкость-жидкость и жидкость-газообразное (газо-газообразная граница отсутствует, поскольку все газы смешиваются). Термин «поверхность» обычно используется для границ раздела твердое тело-газ и жидкость-газ.

Обратите внимание, что хотя термин «интерфейс» предполагает наличие резкой двумерной границы с мгновенным изменением физических параметров, в реальных системах, особенно в жидко-газовом случае, можно обнаружить трехмерную область, в которой параметры изменяются непрерывно (см. рис. 1 ). ). Однако упрощенного допущения о резкой границе раздела достаточно, когда речь идет о макроскопических явлениях на границе раздела.

Рисунок 1: Профиль плотности на границе жидкость-газ.

В отличие от идеальных газов, атомы/молекулы твердого тела или жидкости удерживаются вместе силами взаимодействия. Внутри фазы силы взаимодействия атома/молекулы уравновешивают друг друга. На границе раздела силы извне отсутствуют или значительно слабее, в результате чего результирующая сила направлена ​​в фазу (см. рис. 2 ). Чтобы привести атом/молекулу к границе раздела, необходимо совершить работу против этой силы. Эта работа хранится в атоме/молекуле в виде потенциальной энергии. Следовательно, увеличение границы раздела на ∆A требует энергии ∆W _int . Межфазная энергия определяется как отношение:

Рисунок 2: Силы в жидкости

Поверхностная энергия жидкости (между жидкостью и газом) может быть определена с помощью простого модельного эксперимента. Внутри U-образной проволочной рамы с подвижным кольцом на открытом конце натянута тонкая пленка жидкости (например, мыльного раствора) (см. рис. 3 ). Поверхностные силы пленки жидкости и силы тяжести подвижного обруча уравновешены. Чтобы сместить обруч на Δs и, следовательно, увеличить поверхность на ΔA=2bΔs (удвоить площадь прямоугольника, поскольку пленка имеет переднюю и заднюю стороны), необходимо приложить силу F.

Поверхность жидкости противодействует увеличению поверхности за счет силы F, прикладывая к обручу тангенциальную силу натяжения F _тенс . Эта сила натяжения также называется поверхностным натяжением :

Для жидкостей работа ΔW _обруч , совершаемая на обруче, и работа ΔW _инт , необходимая для увеличения поверхности, равны:

Рисунок 3: модельный эксперимент по поверхностному натяжению: внутри U-образного проволочного каркаса пленка жидкости растягивается под действием силы F, действующей на обруч.

Таким образом, для жидкостей поверхностное натяжение и поверхностная энергия равны. Те же соображения применимы к границам раздела жидкость-жидкость. Однако обратите внимание, что равенство межфазной энергии и межфазного натяжения применимо только к жидкостям, поскольку атомы/молекулы в жидких фазах могут перемещаться без совершения дополнительной работы. Если бы модельный эксперимент проводился с твердым телом, необходимо было бы учитывать работу по перемещению атомов/молекул внутри твердой фазы. Следовательно, простое равенство работы на поверхности и работы на обруче не будет верным. В литературе напряжение и энергия часто обозначаются одним и тем же символом. Поэтому в дальнейшем для поверхностного натяжения/энергии будет использоваться только σ.

Поверхностное и межфазное натяжение жидкостей можно определять с помощью системы измерения оптического краевого угла и контурного анализа серии ОСА методом подвесной капли . С помощью тензиометров серии DCAT поверхностное и межфазное натяжение жидкостей можно определять посредством измерения силы с помощью различных измерительных тел , таких как пластина Вильгельми . Жидкости с очень низким межфазным натяжением или очень низкой разницей плотности можно исследовать с помощью тензиометра с вращающейся каплей серии SVT . Поверхностную энергию твердого тела можно определить путем измерения краевого угла рассмотрение различных моделей взаимодействия жидкости и твердого тела .