4. Смачивание реальных твердых тел

Поверхность реальных твердых тел неоднородна. Различают несколько видов неоднородностей:

□ Геометрическая неоднородность (шероховатость)

□ Химическая неоднородность – отдельные участки поверхности могут иметь разный химический состав, например, на поверхности измельченных частиц могут встречаться частицы мелющих тел

□ Структурная неоднородность (смешанная) – на поверхности встречаются кристаллические и аморфные участки.

Неоднородность приводит к гистерезису смачивания – способности твердого тела иметь большое число углов смачивания, отличных от равновесного. Их этого числа углов выделяют углы натекания Θ_нт и оттекания Θ_отт

Θ_нт формируется при натекании жидкости на поверхность тела или при увеличении объема капли без изменения площади контакта.

Θ_отт формируется при отекании жидкости с уже смоченной поверхности твердого тела или при уменьшении объема капли без изменения площади контакта.

Углы натекания и оттекания формируются на наклонной поверхности. Существует три вида гистерезиса смачивания:

1. Статический – при изменении порядка контактирования 3-х фаз (тв, ж, г).

2. Кинетический – проявляется в изменении угла смачивания при неоднородностях поверхности твердого тела

3. Физико-химический – при взаимодействии жидкости с поверхностью твердого тела могут происходить различные физико-химические процессы (жидкость может растворять твердую поверхность, испарение, адсорбция паров и др.,)

Закономерности кинетического гистерезиса. Определения равновесного угла.

А: ψ – сила, препятствующая перемещению жидкости по поверхности из-за наличия неоднородностей. Сложим вектора:

σ_тг = σ_жг*cosΘ_нт + σ_тж + ψ

cosΘ_нт = [ σ_тг - σ_тж]/ σ_жг – ψ/ σ_жг

cosΘ_нт = cosΘ₀ - ψ/ σ_жг (1)

Следует, что cosΘ_нт =< cosΘ₀ – всегда!

Угол натекания больше равновесного на неоднородной поверхности.

Б: для угла оттекания

Ψ – сила, препятствующая стеканию капли. Сложим вектора:

σ_жг*cosΘ_отт + σ_тж = σ_тг + ψ

cosΘ_отт = [ σ_тг - σ_тж]/ σ_жг + ψ/ σ_жг

cosΘ_отт = cosΘ₀ + ψ/ σ_жг (2)

следует, что cosΘ_отт => cosΘ₀ , Θ_отт меньше Θ₀

сложим уравнения (1) и (2) и получим

cosΘ_нт + cosΘ_отт = 2 cosΘ₀

cosΘ₀= ½ (cosΘ_нт + cosΘ_отт)

или приблизительно

Θ₀= 1/2 (Θ_нт + Θ_отт)

5. Влияние шероховатости поверхности на процессы смачивания.

Размеры шероховатостей имеют порядок 10^-10~10^-3 м.

Наибольшее влияние оказывают шероховатости ~10^-6 м

Шероховатость оценивают с помощью профилографа (прибор). Количественно шероховатость оценивается коэффициентом шероховатости:

K = S_факт/S_проекц > 1, где

S_факт – фактическая площадь

S_проекц – проекция фактической площади на ось х.

Влияние шероховатости легко учитывается, если размер капли значительно больше среднего размера выступов и впадин на поверхности.

Уравнение Венцеля-Дерягина cosΘ_ш= k*cosΘ₀, Θ_ш – макроскопический угол смачивания.

Анализ уравнения:

1. Θ₀>90 – смачивание плохое. С ростом коэффициента шероховатости смачивание будет ухудшаться, Θ_ш – будет возрастать. Увеличение k делает поверхность еще более лиофобной по отношению к жидкости.

2. Θ₀< 90 – С ростом k смачивание будет улучшаться, следовательно Θ_ш уменьшится.

3. Θ₀~ 90 шероховатость не сильно повлияет на смачивание.