Способы определения краевого угла смачивания

Лако-красочные материалы — производство

Технологии и оборудование для изготовления красок, ЛКМ

Методы определения краевого угла смачивания

При измерениях краевого угла смачивания каплю жидкости наносят на поверх­ность твердого тела. Жидкость выбирают такой, чтобы она не вызывала набухания твердого тела и не вступала в реакцию с поверхностью. В данном случае принима­ют, что твердое тело является абсолютно гладким и жестким. Часто можно найти жидкости, которые в химическом отношении не вступают в реакцию с твердым те­лом, однако трудно найти абсолютно гладкие твердые тела. Кроме того, силы, кото — рыс действуют на границе раздела, нс только являются пренебрежимо малыми, но в болынинствс случаев могут деформировать поверхность на расстояниях, значи­тельно удаленных от площади контакта. Этот эффект может быть характерен лаже в случае субстратов, которые считаются практически жесткими. Таким образом, мно­гие положения, необходимые для анализа результатов измерения краевого угла сма­чивания. практически оказываются трудно реализуемыми. Однако простота этого метода, а также возможность получения в результате эксперимента полезных. тля практ ического применения данных позволяют не принимать во внимание эти недо­статки метода.

Диаграмма измерения краевого угла смачивании представлена на рис. 4.4. Жид­кость наносят на поверхность так, чтобы влияние силы тяжести на растекание капли было п|>енебрежимо малым. Размер капли имеет обычно малую величину (десятые доли микролитра). Дозирующее устройство устанавливают очень близко к поверх­ности и в данном случае капля жидкости должна «лежать* на поверхности тела, а не «стекать* с нее. Капле дают возможность растечься и прийти в равновесное состоя­ние с поверхностью. Для вязких жидкостей характерно более длительное время, не­обходимое для достижения равновесного состояния, чем для жидкостей, имеющих меньшую вязкость. Измерения обычно производят, используя какой-либо гонио­метр, который представляет собой не что иное, как транспортир, смонтированный внутри телескопического устройства. На столе должен быть с заданной точностью горизонтально установлен образец твердого тела, и эта горизонтальная линия пред­ставляет собой базовую линию транспортира. При испытании необходимо, чтобы перекрестия транспортира находились точно на поверхности капли. Это может быть трудно выполнимо в тех случаях, когда краевые углы смачивания имеют либо очень большие, либо очень малые значения. В некоторых случаях измерения про­водят, используя несколько капель, которые помещают в различных точках поверх­ности. При тщательном проведении эксперимента достигается точность измерений в пределах ± 1°.

Результаты измерения краевого угла смачивания зависят от направления, в ко­тором они производятся. Когда капля нанесена па поверхность и распространяется по поверхности в результате растекания, краевой угол смачивания в такой ситуации называют развивающимся краевым у слом смачивания. В том случае, когда жидкость отделяется от капли, которая уже пришла в равновесное состояние с поверхностью, краевой угол смачивания называют отступающим краевым углом смачивания. Как

Рис 4 4 Схема эксперимента по определению краевого угла смачивания. Каплю жидкости

помешают на абсолютно гладкую жесткую поверхность твердого тела. Краевой угол смачивания определяют в точке контакта трех фал: твердого тела, жидкости и газа. На рисунке показано «межфазное поверхностное натяжение», использо­ванное Юнгом при выводе его уравнения

правило, развивающийся краевой угол смачивания имеет более высокое значение, чем отступающий краевой угол смачивания. Явление, связанное с различными зна­чениями краевого угла при развивающихся и отступающихся условиях, называют гистерезисом красного угла смачивани. Джонсон и Детре (19) определили ряд при­чин. которые приводят к гистерезису при измерениях краевого уї ла смачивания; главным образом такими являются: неоднородность химии поверхности, шерохо­ватость поверхности, молекулярная перегруппировка в твердом геле, вызванная влиянием жидкости и наоборот. Характер гистерезиса при измерениях краевого угла смачивания вызывает некоторые сомнения как относительно особенностей этих измерений, так и равновесных измерений энергетических характеристик по­верхности.

Важность определения краевого угла смачивания была установлена в результате анализа, впервые выполненного Юнгом (20]. Однако этот анализ является в сущно­сти неточным, так как для поверхностей твердых тел отсутствует какое-либо вполне определенное «поверхностное натяжение». К|юмс того, данный анализ не прини­мает во внимание возможную деформацию поверхности твердого тела в результате воздействия поверхностного натяжения жидкости. Черри 121 ] на основе термоди­намического подхода смог показать, что это выражение является правильным, хотя и не для векторного параметра, первоначально использованного Юнгом. Согласно уравнению Юнга

YMcos0-Yn.-Y4, (4 34)

где 0 — красной угол смачивания (показанный на рис. 4.4); у. — соответствующие межфалные поверхностные натяжения между твердым гелом 5, жидкостью /. и па­ром V.

Необходимо заметит ь. что параметр yw представляет собой межфазную поверх­ностную энергию на границе раздела твердое тело — пар. а нс истинную свободную поверхностную энергию твердого тела. Свободная поверхностная энергия связана с параметром ysv следующим выражением:

где yv истинная свободная поверхностная энергия твердого тела; лг — равновесное давление растекания.

Параметр п, представляет собой величину, определяющую значение энергии, вы­деленной в результате адсорбции пара на поверхности твердого тела, уменьшая в результате этого эффекта его свободную поверхностную энергию. Величина равно- вссного давления растекания играет важную роль, когда поверхностная энергия твер­дого тела имеет высокое, а поверхностная энергия жидкости — низкое значение.

Примером такой ситуации является смачивание чистого металла каким-либо углеводородом. Равновесное давление растекания с полной очевидностью пока­зывает. что краевой угол смачивания углеводорода на чистой металлической по­верхности не равен нулю, даже несмотря на то что поверхностная энергия металла значительно больше поверхностной энергии углеводорода. Равновесное давление растекания не играет большой роли, когда жидкость, обладающая высоким значе­нием поверхностной энергии, смачивает материал с низкой поверхностной энср — шей. Такая ситуация характерна для смачивания полиэтилена водой. В большей части данной книги не будет учитываться параметр я. Любая величина уу которую определяют, нс учитывая равновесное давление растекания, должна рассматривать­ся как невнушающая доверия.

В результате предыдущего рассмотрения уравнения Дюпре установлено, что

Источник

Методы определения углов смачивания

В литературе можно найти описание целого ряда методов определения угла смачивания. Мы же остановимся на кратком описании лишь самых простых, на наш взгляд, и подробнее рассмотрим процедуру измерения θ гониометрическим методом, который используется на кафедре ТП и МЭТ.

Метод проекции капли

Каплю жидкости на горизонтальной исследуемой поверхности проецируют на экран и по фотографии или рисунку определяют угол между касательной к капле в точке соприкосновения трех фаз и поверхностью образца. Точность такого определения оценивается в 1-5 градусов.

θ определяют по высоте (h) капли и радиусу площади контакта капли с исследуемой поверхностью (r_к) (рис.2), пользуясь формулами:

при θ 90° cos θ = 1 — h / r_к

Рис.2.

Для капель малого размера, когда можно пренебречь ее деформацией за счет действия гравитации:

Для измерения параметров капли (h и r_к) целесообразно использовать измерительный микроскоп с горизонтальной оптической осью.

Измерение угла смачивания гониометрическим методом

На кафедре ТП и МЭТ для измерения краевых углов смачивания поверхности используется гониометр, смонтированный на основе микроскопа МИН-4. Схема гониометра показана на рис 3.

Процедура измерений угла смачивания состоит в следующем. Исследуемый образец (1) помещают на предметный столик (2) гониометра. На поверхность образца с помощью пипетки наносят каплю смачивающей жидкости (3). Радиус капли (r) не должен превышать капиллярную постоянную для данной жидкости:

,

чтобы свести к минимуму искажение формы капли за счет гравитации: s_жг и r_ж— поверхностное натяжение и плотность смачивающей жидкости соответственно, g — ускорение свободного падения.

Рис. 3. Схема гониометра на основе микроскопа МИН-4

1-образец, 2-предметный столик, 3-капля жидкости, 4-винт настройки резкости изображения, 5-вращающийся лимб, 6-микрометрический винт вертикального перемещения столика, 7-конус, 8-окуляр; 9-объектив.

Оценки по условию дают для воды г ≤ 3,8 мм (масса капли не более -230 мг, а для глицерина — г ≤ 3,2 мм (170 мг).

С помощью винта настройки (4) добиваются резкого изображения капли воды и проволочки, натянутой по диаметру вращающегося лимба (5). Вращая лимб (5) и микрометрический винт (6) регулирующий высоту предметного столика, совмещают изображение проволочки – диаметра с границей раздела поверхность образца – воздух, регистрируют соответствующий этому положению исходный угол поворота угломерного устройства (θ₀), отсчитывая его с помощью шкалы лимба (5) и нониуса (7). Нониус позволяет отсчитывать угол с точностью до 0,1 градуса.

Вращая лимб (5) по часовой стрелке и слегка перемещая вправо или влево предметный столик с образцом, устанавливают проволочку – диаметр в положение касательной к поверхности капли в точке соприкосновения трех фаз (твердой, жидкой и газообразной). Отсчитывают соответствующий этому положению лимба угол θ₁.

Результирующий угол смачивания определяется как модуль разности θ₀ и θ₁:

.

Опыт показывает, что равновесное (стационарное) значение краевого угла смачивания устанавливается не сразу: в течение некоторого времени θ изменяется за счет растекания капли. Время установления стационарного значения угла смачивания для каждой пары поверхность – жидкость следует определять экспериментально, измеряя величину θ через определенные промежутки времени после нанесения капли. Кинетика растекания жидкости по поверхности наряду с равновесным значением θ может быть полезной характеристикой поверхности.

Для оценки воспроизводимости экспериментальных результатов θ целесообразно измерять 5-10 раз на одной и той же поверхности, рассчитывая на основании этих измерений среднее значение θ и границы доверительного интервала θ.

Основным недостатком описанного выше гониометрического метода измерения угла смачивания, отмечаемым в литературе, является известный субъективизм в построении касательной к поверхности капли в точке соприкосновения фаз.

Кроме того, в силу энергетической неоднородности поверхности твердых образцов периметр смачивания может заметно отличаться от окружности, а значит, и углы смачивания в разных точках периметра капли будут различны.

Метод диаграммы отраженного света

Принципиальная схема измерений приведена на рис.4, 5, 6. Плоская пленка располагается горизонтально, капля смачивающей жидкости на ее поверхности имеет круглое сечение, угол смачивания не превышает 90 о . Параллельный пучок света распространяется горизонтально, параллельно поверхности пленки, частично срезаясь ею, и падает нормально на вертикальный экран. При освещении капли излучение отражается ее выпуклой поверхностью. Пространственная диаграмма отраженного света частично отображается на экране в виде световой картины, параметры которой связаны с величиной краевого угла. Искомый краевой угол равен в этом случае просто углу между вертикалью и периметром световой картины. Он может быть непосредственно измерен на экране или на скопированной с экрана световой картине. Последний способ и использовался в данной работе.

Рис.4. Установка для измерения краевого угла смачивания:

1 – гелий-неоновый лазер;

2 — горизонтальный столик;

3 — капля жидкости на подложке;

Рис.5. Установка подложки Рис.6. Изображение, наблюдаемое

с каплей на экране

Процедура измерений заключается в следующем. На горизонтальный столик 2 устанавливается подложка, на которую из пипетки наносится капля жидкости (воды или глицерина). На экране (4) закрепляют лист бумаги. Вращая винты, устанавливают столик таким образом, чтобы луч лазера проходил строго по поверхности подложки, чуть ее касаясь. На экране появляется изображение отраженного луча в виде вертикальной линии (рис.6). Далее подложку с каплей перемещают так, чтобы луч шел по касательной к капле (рис 5). На экране появляется световая картина, являющаяся отражением луча от периметра капли. Она представляет собой линию, идущую под углом к вертикали (рис.6). Этот угол равен углу смачивания. Изображение отмечается на закрепленной бумаге карандашом, а угол измеряется транспортиром.

Так как капля неравномерно растекается по поверхности подложки, рекомендуется произвести несколько замеров, поворачивая подложку с каплей. Полученные значения усредняются. На основе найденных углов смачивания рассчитывают поверхностную энергию материала по уравнению Фаукса-Юнга (5). Методика и пример расчета изложены выше.

Подводя итог, следует отметить, что методы определения чистоты поверхности, основанные на смачивании их водой, зависят от большого числа факторов, могущих исказить результаты.

В производственных условиях в ответственных случаях используют параллельно некоторые, хотя и более грубые, но объективные методы проверки деталей на жировые загрязнения. Примером таких методов может служить метод, основанный на определении интенсивности флюоресценции масла, растворенного в трихлорэтилене, под действием УФ облучения. Контролируемые детали помещают на металлическую сетку прибора и подвергают обработке парами трихлорэтилена в течение 15 мин. Затем сравнивают оптическую проницаемость использованного трихлорэтилена с проницаемостью эталонного (чистого) и по градуировочной кривой определяют объемную концентрацию загрязнений в трихлорэтилене.

Наиболее простым методом контроля считается люминесцентный. Он основан на определении интенсивности свечения жировых загрязнений при облучении испытуемых деталей УФ светом. Интенсивность свечения можно измерить, контроль может быть и чисто визуальным для грубой оценки чистоты деталей. Метод пригоден не только для выборочного, но и для сплошного контроля деталей.

Качество очистки можно контролировать по электропроводности воды, используемой для промывки деталей на последних этапах очистки. Повышение этого параметра свидетельствует об ухудшении качества очистки. Этот метод позволяет решать многие практические задачи, в том числе и при осуществлении непрерывного контроля производства. Нередко измерение электропроводности сочетают с измерением других величин, например, плотности, вязкости, рН промывной жидкости.

Электропроводность раствора может быть найдена, если измерить активное сопротивление между погруженными в него электродами. Для измерения сопротивления пользуются переменным током, так как постоянный ток вызывает электролиз и поляризацию электродов.

Рис 7. Схема установки для измерений электропроводности

Сопротивление раствора определяют путем сравнения с эталонным сопротивлением (рис. 7). Суть используемого в лаборатории метода определения удельного сопротивления воды состоит в том, что через ячейку с водой протекает заведомо известный ток, а с последовательно включенного сопротивления, величина которого тоже известна, снимается падение напряжения. Затем простыми расчетами устанавливается сопротивление деионизованной воды и воды, используемой для промывки.

(Ом).

При выполнении работы можно определить, сколько ополаскиваний требуется, чтобы полностью удалить следы промывных жидкостей.

Итак, целью данной работы является знакомство с наиболее распространенными методами очистки деталей ЭВП и ИМС и с доступными в условиях кафедры методами контроля степени чистоты испытуемой поверхности. Берутся либо стеклянные, либо керамические пластины. Чтобы оценка методов очистки была правомерной, предварительно необходимо спровоцировать равномерное загрязнение подложек и оценить состояние поверхности, измеряя углы смачивания, например, разными жидкостями. Проведя очистку любым из рассмотренных выше методов, вновь оцениваем по углу смачивания состояние поверхности. Можно сравнить эффективность различных способов очистки по заданию преподавателя.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник