6. Смачивание неоднородных поверхностей

Участки поверхности обладают гидрофильно-гидрофобной мозаичностью и по-разному взаимодействуют с жидкостью. Влияние на смачивание определяется размерами неоднородностей.

Оценка производится путем изучения адсорбции неионогенных ПАВ из воды и из неполярных жидкостей:

1. Адсорбция н-ПАВ из воды.

Молекулы ПАВ будут адсорбироваться на неполярных участках. Снимается изотерма адсорбции, находится А∞(вода), которая ~ φ2

2. Адсорбция того же н-ПАВ из неполярной среды (масла)

Аналогично 1) определяется А∞(масло), которая ~ φ1

А∞(вода)/ А∞(масло) = φ2/ φ1

а) размеры неоднородностей менее 0,1 мкм.

б) размер неоднородностей более 0,1 мкм – периметр смачивания представляет собой ровную линию.

Смачивание при малых размерах неоднородностей

Вводится понятие об эффективных поверхностных и межфазных натяжениях, которые рассчитываются по аддитивности. Поверхность имеет участки (рисунок: мозаичная поверхность, на ней капля, отмечен гетерогенный угол смачивания Θ_г<90, цифрами обозначены поверхности)

1 – лиофильные; 2 – лиофобные; φ1 – доля поверхности, занимаемая участками 1; φ2 – соотв.,

σ_тж1 – межфазное натяжение; Θ_г.

σ_тг.эф = σ_тг1*φ1 + σ_тг2*φ2; σ_тж.эф = σ_тж1*φ1 + σ_тж2*φ2

уравнение Юнга: cosΘ_г=[ σ_тг.эф - σ_тж.эф]/ σ_жг ,

подставим:

cosΘ_г= [σ_тг1*φ1 + σ_тг2*φ2 - σ_тж1*φ1 - σ_тж2*φ2]/ σ_жг ,

cosΘ_г= [(σ_тг1 - σ_тж1)* φ1 + (σ_тг2 - σ_тж2)*φ2]/ σ_жг ,

cosΘ_г= cosΘ₀₁* φ1 + cosΘ₀₂* φ2

Смачивание при больших размерах неоднородностей

Жидкость при стекании «тормозится» на гидрофобном участке. Это связано с изменением поверхностной энергии. Угол оттекания «тормозится» (©кривощепов) лиофильными участками. Вывод: на углы натекания влияет наличие «фобных» участков; на углы оттекания – наличие «фильных» участков.

1. при увеличении доли гидрофобных участков φ2, угол натекания Θ_нт сначала быстро возрастает, потом увеличивается слабо.

7. Классификация видов смачивания по природе сил взаимодействия

Физическое смачивание…………………

Условно химическое смачивание – образуются химические связи между молекулами жидкости и твердых тел. Если жидкости имеют высокое σ_жг , то они могут смачивать поверхности твердых тел при при химическом взаимодействии.

Классификация твердых тел по величинам поверхностных натяжений.

Высокоэнергетические σ_жг > 100 мДж/м2

Низкоэнергетические σ_жг < 100 мДж/м2

Смачивание определяет σ_тж , чем оно меньше, тем смачивание лучше. Эта величина определяется интенсивностью межмолекулярного взаимодействия. Чем оно сильнее, тем меньше σ_тж.

Признаки смачивания.

Наиболее сильно взаимодействуют близкие по полярности молекулы.

1. Признак уравнивания полярностей. Полярность можно оценить по σ, теплоте испарения, относительной диэлектрической проницаемости. Следует, что к гидрофильным относятся вещества, для которых разность полярностей по отношению к воде меньше разности полярностей по отношению к неполярным жидкостям. К гидрофобным – наоборот.

2. Признак – подобие природы твердого тела и смачивающей жидкости. Хорошее смачивание проявится при близких тапах межатомных взаимодействий в жидкости и твердом теле.

Закономерности условно-химического смачивания

Имеет место в жидкостях, имеющих высокое поверхностное натяжение (расплавы металлов, оксидов). Смачивание происходит в результате химической реакции:

Me’O + Me”  Me’ + Me”O

Смачивание будет тем лучше, чем выше сродство расплава металла к кислороду, чем слабее связь Me’ – O. Примеры

1. оксиды металлов (SiO2, Al2O3, MgO, BeO, UO2) хорошо смачиваются расплавами Al, Cr, Ti, Si, Mn, плохо смачиваются расплавами Sn, Pb, Hg, Ag, Ni, Co, Fe.

2. Вещества SiC, Si3N4, BN хорошо смачиваются расплавами Al, Si; плохо смачиваются расплавами Sn, Cu, Ag, Pb.