Введение
Угол между границей раздела жидкость-пар и твердой поверхностью
Угол контакта (символ θC) – это угол между поверхностью жидкости и твердой поверхностью в точке их соприкосновения. Более точно, это угол между касательной к границе раздела жидкость-пар и касательной к границе раздела твердое тело-жидкость в точке их пересечения. Он количественно характеризует смачиваемость твердой поверхности жидкостью посредством уравнения Янга. Для данной системы твердого тела, жидкости и пара при заданной температуре и давлении существует уникальный угол контакта равновесия. Однако на практике часто наблюдается динамическое явление гистерезиса угла контакта, изменяющееся от угла контакта при продвижении (максимального) до угла контакта при отступлении (минимального). Угол контакта равновесия лежит в пределах этих значений и может быть рассчитан на их основе. Угол равновесного контакта отражает относительную силу молекулярного взаимодействия жидкости, твердого тела и пара. Угол контакта зависит от среды над свободной поверхностью жидкости, а также от природы жидкости и твердого тела, находящихся в контакте. Он не зависит от наклона твердого тела к поверхности жидкости. Он изменяется с поверхностным натяжением и, следовательно, с температурой и чистотой жидкости.
Модифицированное уравнение Юнга
О самом раннем исследовании связи между углом контакта и поверхностным натяжением для неподвижных капель на плоских поверхностях сообщил Томас Янг в 1805 году. Столетие спустя Гиббс предложил модификацию уравнения Янга для учета зависимости угла контакта от объема. Гиббс предположил существование поверхностного натяжения линии, которое действует на трехфазной границе и учитывает избыточную энергию в точке соприкосновения твердой, жидкой и газообразной фаз, и выражается следующим образом:
где κ – поверхностное натяжение линии в Ньютонах, а a – радиус капли в метрах. Хотя экспериментальные данные подтверждают линейную зависимость между косинусом угла контакта и обратным радиусом капли, они не позволяют определить правильный знак κ и завышают его значение на несколько порядков.
Влияние шероховатости на углы соприкосновения
Шероховатость поверхности оказывает сильное влияние на угол контакта и смачиваемость поверхности. Влияние шероховатости зависит от того, заполнит ли капля углубления на поверхности или между каплей и поверхностью останутся воздушные карманы. Если поверхность смачивается однородно, капля находится в состоянии Венцеля. В состоянии Венцеля увеличение шероховатости поверхности усиливает смачиваемость, обусловленную химией поверхности. Связь Венцеля можно записать следующим образом:
где θm – измеренный угол контакта, θY – угол контакта Янга, а r – коэффициент шероховатости. Коэффициент шероховатости определяется как отношение фактической площади поверхности к её проекции. Если поверхность смачивается неоднородно, капля находится в состоянии Кэсси-Бакстера. Наиболее стабильный угол контакта связан с углом контакта Янга. Углы контакта, рассчитанные по уравнениям Венцеля и Кэсси-Бакстера, являются хорошим приближением наиболее стабильных углов контакта для реальных поверхностей.
Динамические углы соприкосновения
Для жидкости, быстро движущейся по поверхности, угол контакта может изменяться от его значения в состоянии покоя. Угол смачивания при движении вперед увеличивается с ростом скорости, а угол смачивания при движении назад уменьшается. Различия между статическим и динамическим углами контакта пропорциональны числу Капилляра, обозначаемому как .
Типичные углы соприкосновения
Угол контакта чрезвычайно чувствителен к загрязнениям; значения, воспроизводимые с точностью лучше нескольких градусов, обычно достигаются только в лабораторных условиях с использованием очищенных жидкостей и очень чистых твердых поверхностей. Если молекулы жидкости сильно притягиваются к молекулам твердого тела, то капля жидкости полностью растекается по поверхности твердого тела, что соответствует углу контакта 0°. Это часто наблюдается для воды на обнаженных металлических или керамических поверхностях, хотя наличие оксидного слоя или загрязняющих веществ на твердой поверхности может значительно увеличить угол контакта. Как правило, если угол контакта воды меньше 90°, твердая поверхность считается гидрофильной, а если угол контакта воды больше 90°, то гидрофобной. Многие полимеры демонстрируют гидрофобные поверхности. Высокогидрофобные поверхности, изготовленные из материалов с низкой поверхностной энергией (например, фторированных), могут иметь угол контакта с водой до ≈ 120°. Достижение этого возможно в газовой фазе с использованием специализированных вакуумных печей или в жидкой фазе. Молекулы, способные связывать большее количество перфторированных групп с поверхностью, могут приводить к снижению поверхностной энергии (и, следовательно, к увеличению угла контакта с водой). Влияние поверхностного фтора на угол контакта Водный угол контакта Прекурсор на полированном кремнии (градусы) Хеникозил 1,1,2,2-тетрагидродецилдиметилтрис(диметиламино)силан 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
Метод статической сессивной капли
Угол контакта неподвижной капли измеряется с помощью гониометра угла контакта, использующего оптическую подсистему для захвата профиля чистой жидкости на твердой подложке. Угол, образованный между границей раздела жидкость-твердое тело и границей раздела жидкость-пар, является углом контакта. В более ранних системах использовалась микроскопическая оптическая система с подсветкой сзади. Системы нового поколения используют камеры высокого разрешения и программное обеспечение для захвата и анализа угла контакта. Углы, измеренные таким образом, часто достаточно близки к углам опережения. Углы контакта равновесия можно получить путем приложения четко определенных вибраций.
Метод падения подвески
Измерение углов соприкосновения для висячих капель значительно сложнее, чем для касающихся капель, из-за присущей висячим каплям нестабильности. Эта сложность еще больше возрастает при попытке наклонить поверхность. Недавно разработан экспериментальный аппарат для измерения углов контакта висячих капель на наклонных подложках. Этот метод позволяет осаждать несколько микрокапель на нижней стороне текстурированной подложки, которые можно визуализировать с помощью высокоразрешающей ПЗС-камеры. Автоматизированная система обеспечивает наклон подложки и анализ изображений для вычисления углов контакта опережения и отступления.
Динамический метод сессивной капли
Динамическая сессильная капля аналогична статической сессильной капле, но требует изменения капли. Распространенный тип исследования динамической сессильной капли определяет максимальный возможный угол контакта без увеличения площади твердо-жидкостного соприкосновения путем динамического добавления объема. Этот максимальный угол называется углом продвижения. Объем уменьшается для получения минимально возможного угла, называемого углом отступа. Разница между углом продвижения и углом отступа – это гистерезис угла контакта.
Метод Вильгельми с одним волокном
Динамический метод Вильгельми, применяемый к отдельным волокнам для измерения углов смачивания при продвижении и отступлении.
Метод одноволокнистого мениска
Оптический вариант одноволоконного метода Вильгельми. Вместо измерения весом, форма мениска на волокне напрямую визуализируется с помощью камеры высокого разрешения. Автоматическое определение формы мениска позволяет непосредственно измерять статический, опережающий или отстающий угол контакта на волокне.
Уравнение Уошберна метод капилярного подъема
В случае пористых материалов возникает множество вопросов как относительно физического смысла рассчитанного диаметра пор, так и о реальной возможности применения этого уравнения для вычисления угла смачивания твердого тела, даже несмотря на то, что данный метод часто предлагается многими программами как устоявшийся. Измеряется изменение массы во времени.