Смачиваемость поверхности разных веществ
Посуда, изготовленная из стекла, хорошо смачивается водой, по этой причине наблюдается всползание высокодисперсных осадков по стенкам сосуда. Такое же явление наблюдается и с насыщенными растворами солей. Для предотвращения этого явления стенки сосудов покрываются тонким слоем гидрофобизирующего вещества, например трихлорсилана. Гидрофобизацию поверхностей стаканов, бюреток, пипеток широко применяют в ультрамикроанализе. Гидрофобными свойствами обладают и изделия из фторопласта-4 и других полимеров [13].
Для демонстрации свойств гидрофобной и гидрофильной поверхностей можно использовать свойства ориентированного слоя молекул стеариновой кислоты. При затвердевании на поверхности воды стеариновая кислота образует мономолекулярный ориентированный слой. Полярные группы стеариновой кислоты обращены к воде, а углеводородные остатки — внутрь стеаринового слоя, что приводит к изменению смачиваемости поверхности [14]. Изменение смачиваемости удобно наблюдать, используя воду, подкрашенную метиловым фиолетовым или другим красителем.
Метиленовый фиолетовый, 0,1%-ный раствор.
Выполнение опыта. В стакан емкостью 0,5 л поместить 400 мл воды и кусочек стеариновой кислоты. На лекции нагреть стакан. При этом стеариновая кислота плавится. Охладить стакан. Осторожно снять образовавшийся твердый слой и положить на стол на лист фильтровальной бумаги, просушить. Разделить слой на два куска. Один кусок положить ориентированным слоем вверх (т. е. вверх стороной, которая была обращена к воде), другой кусок — ориентированным слоем вниз. Нанести по капле метилового фиолетового на оба куска.
На Поверхности с ориентированным слоем капля растекается, в то время как на поверхности другого куска капля не растекается.
Примечание. В большой аудитории демонстрацию опыта (т. е. нанесение капель) рекомендуется провести, используя эпидиаскоп.
Источник
5.2.3. Смачивание увлажненных и погруженных в воду поверхностей
Процесс смачивания в системе жидкость 1, жидкость 2, твердое тело 3 описывается уравнением:
s1,3 — s1,2,3 ³ s2 × cos q1,2 — s3 × cos q1,3 — s2,3 × cos q1,2,3, (5.9)
т. е. для смачивания жидкостью 1 (лаком или краской) твердого тела необходимо, чтобы ее поверхностное натяжение было меньше, чем у жидкости 2. На практике чаще всего жидкостью 2 является вода (s = 72,7 мДж/м2). Возможны два варианта:
1) вода в ограниченном количестве контактирует с поверхностью (окрашивание влажных и мокрых поверхностей);
2) имеется неограниченное количество воды (окрашивание объектов и сооружений под водой).
В первом варианте окрашивание возможно путем связывания воды или избирательного смачивания поверхности на границе двух антиполярных жидкостей, во втором — путем вытеснения одной жидкости другой. Например, для нанесения на влажные поверхности применяют водоразбавляемые лакокрасочные материалы (вододисперсионные, цементные, силикатные, клеевые и другие краски). В этом случае присутствующая на окрашиваемой поверхности вода входит в состав лакокрасочного материала как растворитель и испаряется или связывается с компонентами краски при формировании покрытия.
Краски, содержащие гидрофобные пленкообразователи, смачивают влажные поверхности лишь тогда, когда разность полярностей краски и поверхности меньше, чем разность полярностей воды и поверхности. Это выполняется в тех случаях, когда при окрашивании предусматривается гидрофобизация твердой поверхности, осуществляемая либо предварительной обработкой мокрой поверхности раствором гидрофобизатора, либо введением гидрофобизирующих веществ в состав лакокрасочных материалов.
Гидрофобизаторы — катионоактивные ПАВ: хлориды стеариламидометилпиридиния, алкилбензилдиметиламмония, алифатических аминов и др. Их содержание в красках составляет 0,1-0,5%.
Окрашивание возможно и с помощью связывания воды компонентами краски или ее эмульгирования. Для чего в состав красок вводят соответственно в первом случае — водопоглощающие вещества (цемент, неблокированные или частично блокированные изоцианаты, отверждаемые водой полиуретаны), и во втором — ионогенные ПАВ (олеат триэтаноламина, мыла жирных кислот и др.)
Смачивание поверхности под водой — наиболее сложный случай поверхностного взаимодействия. Большинство красок, хорошо смачивающих поверхности на воздухе, не наносятся под слоем воды. Для них краевой угол смачивания в воде металлов, стекол, керамики превышает 90°.
Способность краски вытеснять воду и смачивать гидрофильные поверхности во многом определяется энергией взаимодействия пленкообразователя или других составных компонентов краски с водой. Водовытеснение происходит лишь в том случае, если эта энергия будет соизмерима с энергией взаимодействия молекул воды (краска при этом не должна растворяться в воде).
Применяя в качестве пленкообразователей или модификаторов красок соединения, способные образовывать водородные связи с водой (полиуретаны, полиамиды, ненасыщенные полиэфиры, некоторые амины и др.), можно получить значения краевого угла q £30°, при этом краски приобретают способность наноситься под водой.
Схема взаимодействия жидкого пленкообразователя (полиамида) с твердой поверхностью (металл) в воде представлена ниже:
Согласно схеме, формирование жидкой пленки происходит с участием мономолекулярного слоя воды, который прочно связан как с подложкой, так и с полярными группами пленкообразователя.
С повышением температуры смачивание улучшается; наилучшее вытеснение воды с поверхности достигается при оптимальной вязкости пленкообразователя (порядка 0,3 Па×с).
Следует отметить, что соленость воды не оказывает существенного влияния на нанесение красок. Краски для подводного нанесения должна обладать плотностью, превышающей плотность воды, и быть способными отверждаться в водной среде. Наиболее применимы для нанесения под водой краски на основе олигомерных пленкообразователей, не содержащие растворителей.
Для нанесения по влажным поверхностям применяют эпоксидную (ЭПК-16) и эпоксидно-лаковую (ЭПК-20 и ЭПК-33) краски с модификатором алкилбензилдиметиламмоний хлоридом. Они применяются для защиты нефтепромысловых и портовых сооружений и других объектов. Для окрашивания мокрых бетонных и оштукатуренных поверхностей используют виниловые (ХС-068, ХС-510, ХС-710) лакокрасочные материалы с модификатором ДГУ (5-10%) и эпоксидные составы (ЭП-525; ЭП-0010) с отвердителем-модификатором И-6М и ускорителем отверждения УП-606/2, а также поливинилацетатную грунтовку Э-ВА-0151.
Окрашивать объекты и сооружения под водой (суда, опоры мостов, сваи нефтяных вышек, шлюзы и др.) можно эмалью Б-ЭП-5188. Ее наносят специальным аппаратом (принцип выдавливания) на предварительно очищенную поверхность; отверждается эмаль под водой быстрее, чем на воздухе (18 ч против 24 ч). Для грунтования и заделки дефектов поверхности используют специально разработанные для подводного склеивания клеи «Стык» и «Спрут-МП».
Источник
НЕКОТОРЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СМАЧИВАНИЯ МЕТАЛЛОВ
Как указывалось выше, для получения качественного соединения металлов при сварке плавлением и при наплавке без расплавления основного металла необходимо обеспечить смачивание поверхности твердого металла жидким по всей площади их соприкосновения. Это относится к металлам как с близкими, так и с сильно отличающимися теплофизическими свойствами.
Смачивание поверхности твердого металла жидким зависит от целого ряда причин, основными из которых являются:
1) способность соединяемых металлов давать сплавы, т. е. наличие сродства одного металла к другому;
2) величина поверхностного натяжения жидкого металла; т
3) температура нагрева поверх — т г т*
ности твердого металла и темпера — Рис — 20 • Система сил поверхност — r г ного натяжения на межфазной гра-
тура перегрева жидкого металла; нице ПрИ отсутствии проплавления
4) Наличие на металлической основного металла
поверхности пленки окислов и др.
Для осуществления смачивания необходимо затратить энергию. В общем случае эта энергия представляет собой [1] убыль свободной поверхностной энергии системы на границах раздела между твердым телом и газом, жидкостью и газом, твердым телом и жидкостью. Речь идет именно о трехфазной системе, так как наличие третьей (газовой) фазы, всегда присутствующей при взаимодействии жидкой и твердой фаз, оказывает значительное влияние на взаимодействие жидкой и твердой фаз.
При плазменной наплавке металлов этими фазами являются: поверхность твердого основного металла, жидкий наплавляемый металл и защитный газ. Равновесие в рассматриваемой системе определяется силами поверхностного натяжения на границах твердая фаза — жидкая фаза от. ж, твердая фаза — газ стг. г, жидкая фаза — газ аж, г (рис. 20). Следует отметить, что равновесие в системе может рассматриваться лишь в том случае, если капля жидкого металла не перемещается по поверхности твердого металла и не растекается по ней. Следовательно, в данном случае рассматривается равновесное или статическое смачивание, характеризующееся неизменностью линейной границы смачивания.
Условие равновесия капли жидкого металла на поверхности твердого металла выражается [1, 50] уравнением Дюпре:
°Г. г — °т. ж — аж. г COS 0 = 0. (13)
Угол 0 называют краевым углом смачивания. Из (13) следует:
1) если ат. г = ат%ж, то cos 0 = 0 и 0 — 90°;
£ 12) если 0т. е > ат. ж, то cos 0 > 0 и 0 90е.
Если процесс наплавки сопровождается расплавлением основного металла (как, например, при плазменной наплавке нержавеющих сталей на малоуглеродистые), то условие равновесия капли жидкого металла на поверхности твердого металла может быть выражено несколько измененным выражением [111]:
ат — г = аж. г COS 0Х + От. ж COS 02. (14)
где 0г — угол, аналогичный 0 на рис. 20; ‘
02 — угол между поверхностью основного металла и касательной к кривой, очерчивающей зону проплавления.
Но учитывая, что глубина проплавления основного металла незначительная, а очертания ванны достаточно плавные и угол мал, т. е. cos 02 —> 1, то и для этого случая можно без больших погрешностей применять уравнение (13). А для точных расчетов можно измерять величину углов 0Х и 02.
Следует также отметить, что при наплавке мы имеем дело с кинетическим смачиванием, которое характеризуется непрерывным образованием новых поверхностей раздела. Но для простоты рассмотрения, смачивание при наплавке в первом приближении может рассматриваться как статическое смачивание на плоской поверхности.
По [47] физический смысл краевого угла смачивания заключается в том, что он является результатом относительной силы притяжения жидкости к твердому телу и к самой себе. Если между жидкостью и твердым телом нет химического взаимодействия, то 0 = 180°, и капля жидкости не смачивает тело.
При увеличении силы молекулярного притяжения между жидкостью и твердым телом краевой угол смачивания уменьшается, обращаясь в 0 тогда, когда сила сцепления между жидкостью и твердым телом становится равной силе сцепления между двумя плоскостями самой жидкости.
Величина cos 0 является мерой смачивания. Ее можно определить из (13)
Источник
Определение смачиваемости поверхностей (волокон и пористых материалов)
Автор: Dr. Christopher Rulison (Augustine Scientific)
Смачиваемость волокон измеряется на основе определения краевого угла смачивания одиночного волокна или связки нитей согласно теории Вашбурна. На практике данный метод реализован в процессорных тензиометрах K100 фирмы KRUSS.
Для определения смачиваемости различных поверхностей обычно рассчитывают краевой угол по методу лежащей капли. Этим методом легко пользоваться, особенно если поверхность однородная, плоская, без пор. Сформировать каплю на поверхности нити или пористого материала довольно сложно, кроме того, она будет проникать в поры, следовательно, профиль капли будет недостоверным или искаженным. Несмотря на то, что приборы краевого угла DSA100 фирмы KRUSS позволяют дозировать микрокаплю на волос (см. фото), для изучения смачивающих свойств волокон, порошков и пористых материалов тензиометр K100 был оснащен специальными держателями.
Расчет по методу Вашбурна
Согласно теории Вашбурна при соприкосновении волокна или пористого материала с жидкостью последняя будет подниматься за счет капиллярных сил. Капиллярные силы будут подчиняться уравнению:
где t — время соприкосновения, m — масса жидкости, поднявшейся по поверхности или впитавшейся в нее, А — постоянная величина, зависящая от свойств жидкости и поверхности.
При проведении исследований используют жидкость с известной плотностью, вязкостью и поверхностным натяжением. Массу поднявшейся жидкости и время можно измерить. Следовательно, в уравнении Вашбурна останется две неизвестных величины: краевой угол смачивания и константа поверхности.
Если заведомо знать, что краевой угол смачивания поверхности определенной жидкостью равен нулю θ = 0° (cosθ = 1) , то можно найти константу поверхности (с). Обычно для определения постоянной поверхности используют н-гексан, т.к. при комнатной температуре он имеет низкое поверхностное натяжение (18,4 мН/м). После определения константы материала второй образец можно тестировать на смачиваемость нужной жидкостью.
Пример исследования
Для сравнения были выбраны три волокнистых материала: обычное оптоволокно, материал наподобие льна, использующийся для сохранности стекла при транспортировке (адсорбент), и сигаретный фильтр; результаты исследований приведены в таблице ниже.
В данном опыте исследовались не отдельные волокна, а пачки (пучки) нитей. Плотность упаковки влияет на результат. Интересно отметить, что адсорбент и сигаретный фильтр имеют схожие константы. Кроме того, упаковка этих материалов в специальный держатель была похожей, в обоих случаях было использовано 2,5 г. Для упаковки оптоволокна понадобилось 3,0 г на каждый опыт, стекло имеет относительно более высокую плотность; константа этого материала отличается.
Краевой угол смачивания материалов водой не стал неожиданностью. Минимальный угол (наилучшее смачивание) наблюдалось у льняного материала, который используют в качестве адсорбента. Оптоволокно по смачиваемости оказалось на втором месте, что также не явилось неожиданность, т.к. стекло имеет высокую поверхностную энергию. Наихудшие смачивающие свойства показал сигаретный фильтр.
| Волокнистый материал | Опыт | Константа материала (на основе н-гексана) | Краевой угол (на основе дистиллированной воды) |
| Оптоволокно | 1 2 | 1,172·10 -2 см 5 1,161·10 -2 см 5 | 54,8° 54,7° |
| Адсорбент | 1 2 | 1,634·10 -2 см 5 1,655·10 -2 см 5 | 44,8° 44,3° |
| Сигаретный фильтр | 1 2 | 1,623·10 -2 см 5 1,632·10 -2 см 5 | 65,0° — |
На сегодняшний день метод Вашбурна является почти единственной возможностью оценить смачиваемость поверхностей таких, как: пористые материалы, порошки и волокна. Константа материала, зависящая от плотности упаковки волокон/крупинок, может слегка отличаться от образца к образцу, но в пределах сохранения общих свойств материала.
Полимерная промышленность бурно развивается и позволяет производить материалы с заданными свойствами в зависимости от той области, где планируется использовать новый композит. Взаимодействие материала с разными жидкостями также определяет дальнейшую его судьбу. Порой для получения необходимого эффекта необходимо слегка изменить композиционный состав материала (см. статью «Оптимизация свойств покрытий»).
Таким образом, поверхностная химия — важный инструмент в области производства материалов с заданными свойствами.
Источник
