Кіріспе

Сұйық-бу интерфейсі мен қатты бет арасындағы бұрыш – контакт бұрышы (символ θC) – сұйық бет пен қатты бет кездесетін жердегі бұрыш. Нақтырақ айтқанда, бұл сұйық-бу интерфейсіндегі бетке жанамасы мен олардың қиылысуындағы қатты-сұйық интерфейсіндегі жанама арасындағы бұрыш. Ол Янг теңдеуі арқылы сұйықтың қатты бетті ылғалдану деңгейін көрсетеді. Белгілі бір температура мен қысымдағы қатты, сұйық және бу жүйесі үшін бірегей тепе-теңдік контакт бұрышы болады. Бірақ практикада, контакт бұрышының гистерезисі деп аталатын динамикалық құбылыс жиі кездеседі, ол алға жылжу (максималды) контакт бұрышынан артқа шегіну (минималды) контакт бұрышына дейін өзгереді. Тепе-теңдік контакт бұрышы осы екі мән арасында болады және олар арқылы есептелуі мүмкін. Тепе-теңдік контакт бұрышы сұйық, қатты және бу молекулаларының өзара әрекеттесу күшінің салыстырмалы шамасын көрсетеді. Контакт бұрышы сұйықтың еркін бетінен жоғарыдағы ортаға, сондай-ақ сұйық пен қатты дененің қасиеттеріне байланысты. Ол қатты дененің сұйық бетіне бұрылуына тәуелді емес. Ол беттік кернеуге, демек сұйықтың температурасы мен тазалығына байланысты өзгереді.

Өзгертілген Юнг теңдеуі

Тұрақты беттердегі сессильді тамшылардың контактілік бұрышы мен беттік кернеу арасындағы қатынасты алғаш зерттеуді 1805 жылы Томас Янг жүргізді. Бір ғасырдан кейін Гиббс контактілік бұрыштың көлемдік тәуелділігін ескеретіндей Янг теңдеуіне түзету ұсынды. Гиббс үш фазалық шекарада әрекет ететін және қатты, сұйық және газ фазаларының интерфейсінің түйіскен жеріндегі артық энергияны есепке алатын сызықтық кернеудің бар екенін болжады, ол былай беріледі:

мұнда κ – Ньютонмен өлшенетін сызықтық кернеу, ал a – метрмен өлшенетін тамшы радиусы. Эксперименттік деректер контактілік бұрыштың косинусы мен сызықтық радиустың кері шамасы арасындағы сызықтық байланысты растаса да, κ-ның дұрыс таңбасын ескермейді және оның мәнін бірнеше рет арттырып бағалайды.

Қаттылықтың байланыс бұрыштарына әсері

Беткейдің дөңгелектігі беттің жанасу бұрышына және суға қабілеттілігіне күшті әсер етеді. Дөңгелектіктің әсері тамшы беткейдің ойыстарын ылғалдандыра ма, әлде тамшы мен беткей арасында ауа қуыстары қалады ма, соған байланысты. Егер беткей біртекті түрде ылғалданса, тамшы Венцель күйінде болады. Венцель күйінде беткейдің дөңгелектігін арттыру беткей химиясының нәтижесінде ылғалдануды күшейтеді. Венцель байланысын былай жазуға болады:

мұнда θm – өлшенген жанасу бұрышы, θY – Янг жанасу бұрышы және r – дөңгелектік коэффициенті. Дөңгелектік коэффициенті – нақты және проекцияланған қатты беткейлер арақатынасы ретінде анықталады. Егер беткей әртүрлі ылғалданса, тамшы Касси-Бакстер күйінде болады. Ең тұрақты жанасу бұрышы Янг жанасу бұрышымен байланысты болуы мүмкін. Венцель және Касси-Бакстер теңдеулерінен есептелген жанасу бұрыштары нақты беткейлердегі ең тұрақты жанасу бұрыштарының жақсы жуықтамалары болып табылады.

Динамикалық түйісу бұрыштары

Сұйықтың бетке жылдам қозғалғанда, контактілік бұрыш тыныш күйдегі мәнінен өзгеруі мүмкін. Ілгерілейтін контактілік бұрыш жылдамдықпен артады, ал кері тартылатын контактілік бұрыш кемиді. Статикалық және динамикалық контактілік бұрыштар арасындағы айырмашылық капиллярлық санға тура пропорционал, ол деп белгіленеді.

Үлгілі түйісу бұрыштары

Қосылу бұрыштары ластануға өте сезімтал; бірнеше градустан артық қайталанатын мәндер әдетте тек тазартылған сұйықтықтар мен өте таза қатты беттермен зертханалық жағдайларда алынады. Егер сұйық молекулалар қатты молекулаларға күшті тартылса, онда сұйық тамшы қатты бетке толық таралады, бұл 0° түйісу бұрышына сәйкес келеді. Бұл көбінесе металл немесе керамикалық беттердегі су үшін тән, бірақ қатты беттердегі оксид қабатының немесе ластаушылардың болуы байланыс бұрышын айтарлықтай арттыра алады. Жалпы, егер сумен байланыс бұрышы 90°-дан аз болса, қатты бет гидрофильді болып саналады, ал егер сумен байланыс бұрышы 90°-дан үлкен болса, қатты бет гидрофобты болып саналады. Көптеген полимерлер гидрофобты беттерге ие. Төмен беттік энергияға ие (мысалы, фторланған) материалдардан жасалған жоғары гидрофобты беттерде сумен байланыс бұрышы ≈ 120°-қа дейін жете алады. Бұл газ фазасында арнайы вакуумды пештерді немесе сұйық фазадағы процестерді пайдалану арқылы жүзеге асырылуы мүмкін. Жоғары фторланған тоқтауларды бетке байланыстыра алатын молекулалар беттік энергияны төмендетуге (судың жоғары байланыс бұрышы) әкелуі мүмкін. Сумен байланыс бұрышындағы беткі фтордың әсері жылтыратылған кремнийдегі прекурсор (градус) Геноцизил 1,1,2,2 тетрагидродецилдиметилтрис(диметиламинозилан) 118,0 Гептадекафтор 1,1,2,2 тетрагидродецилтрихлорсилан – (FDTS) 110,0 Нонафтор 1,1,2,2 тетрагидрогексилтрис(диметиламино)силан 110,0 3,3,3,4,4,5,5,6,6 Нонафторгексилтрихлорсилан 108,0 Тридекафтор 1,1,2,2 тетрагидрооктилтрихлорсилан – (FOTS) 108,0 БИС(Тридекафтор 1,1,2,2 тетрагидрооктил)диметилсилоксиметилхлорсилан 107,0 Додецилтрихлорсилан – (DDTS) 105,0 Диметилдихлорсилан – (DDMS) 103,0 10 Ундеценилтрихлорсилан – (V11) 100,0 Пентафторфенилпропилтрихлорсилан 90,0

Статикалық сессиалды құлау әдісі

Шынжырлы тамшының түйісу бұрышы, қатты беттегі таза сұйықтықтың пішінін бейнелеу үшін оптикалық жүйесі бар түйісу бұрышы гониометрімен өлшенеді. Сұйық пен қатты дененің жанасу сызығы мен сұйық пен будың жанасу сызығы арасындағы бұрыш – түйісу бұрышы. Бұрынғы жүйелерде артқы жарықпен жабдықталған микроскопты оптикалық жүйе қолданылған. Қазіргі буын жүйелер жоғары ажыратымдылық камералар мен бағдарламалық құралдарды пайдаланып, түйісу бұрышын бейнелейді және талдайды. Осылай өлшенген бұрыштар көбінесе иілімді түйісу бұрыштарына жақын болады. Тепе-теңдік түйісу бұрыштарын анықталған дірілдер арқылы алуға болады.

Айналдырмалы құлау әдісі

Айналма тамшылардың ішкі тұрақсыздығына байланысты, аспа тамшылардың түйісу бұрыштарын өлшеу, сессильді тамшыларға қарағанда әлдеқайда қиын. Бұл қиындық, егер бетті еңкейтуге тырысқанда одан да арта түседі. Жақында, еңіс беттердегі айналма тамшылардың түйісу бұрыштарын өлшеуге арналған тәжірибелік құралдар жасалды. Бұл әдіс, текстуралы беттің төменгі жағына бірнеше микротамшыларды орналастыруға мүмкіндік береді, оларды жоғары ажыратымды CCD камерасымен бейнелеуге болады. Автоматтандырылған жүйе, бетті еңкейтуге және суреттерді талдау арқылы алға және артқа жылжу бұрыштарын есептеуге мүмкіндік береді.

Динамикалық сессиалды құлау әдісі

Динамикалық сессивтік тамшы статикалық сессивтік тамшыға ұқсас, бірақ тамшыны өзгертуді талап етеді. Динамикалық сессивтік тамшыны зерттеудің кең таралған түрі, тамшының қатты-сұйық интерфейсінің ауданын арттырмай, мүмкін болатын ең үлкен байланыс бұрышын анықтайды, оған көлем динамикалық түрде қосылады. Бұл максималды бұрыш – ілгерілеу бұрышы. Ең кіші бұрышты, яғни керілу бұрышын алу үшін көлем азайтылады. Ілгерілеу және керілу бұрыштарының арасындағы айырмашылық – байланыс бұрышының гистерезисі.

Бір талшықты Вильгельми әдісі

Динамикалық Вильгельми әдісі жеке талшықтардың алға және кері контакт бұрыштарын өлшеу үшін қолданылады.

Бір талшықты менсика әдісі

Вильгельми әдісінің оптикалық түрі. Салмақпен өлшеудің орнына, талшықтағы жарты ай пішіні жоғары ажыратымдылық камерасымен тікелей бейнеленеді. Автоматтандырылған жарты ай пішінін анықтау арқылы талшықтағы статикалық, кеңейтілген немесе тартылған контакт бұрышы тікелей өлшенеді.

Уошберн теңдеуінің капиллярлық көтерілу әдісі

Көлдірлі материалдар жағдайында есептелген тесік диаметрінің физикалық мағынасы және қатты дененің контакт бұрышын есептеу үшін осы теңдеуді қолдану мүмкіндігі туралы көптеген сұрақтар туындады, тіпті бұл әдіс көптеген бағдарламалық құралдарда бекітілген болып ұсынылса да. Уақытқа байланысты салмақтың өзгеруі өлшенеді.