Лако-красочные материалы — производство

Смачивание — это поверхностное явление, заключающееся во взаимодействии жидкости с твердым или другим жидким те­лом при наличии одновременного контакта трех несмешиваю- щихся фаз, одна из которых обычно является газом (возду­хом). Степень смачивания количественно характеризуется ко­синусом краевого угла (угла смачивания), или просто краевым углом (углом смачивания).

При нанесении небольшого количества жидкости, например капли, на поверхность другой жидкости, имеющей большую

Рис. 11.19. К выводу уравнения для краевого угла (закона Юнга): 1—3 — см. рис. 11.18

Плотность, или на поверхность твердого тела можно наблюдать два процесса, если приводимые в контакт вещества взаимно нерастворимы. В одном случае нанесенная жидкость остается на поверхности другой фазы в виде капли, принявшей при ус­тановившемся равновесии определенную форму. В другом слу­чае капля растекается по поверхности. Вначале рассмотрим первый процесс, когда капля не растекается полностью по по­верхности другого тела.

Рис. 11.19 иллюстрирует состояние капли жидкости на по­верхности твердого тела в условиях равновесия. Поверхностная энергия твердого тела, стремясь уменьшиться, вызывает растя­жение капли по поверхности. Эта энергия равна поверхностно­му натяжению твердого тела на границе с воздухом а3д. Меж­фазная энергия на границе твердого тела с жидкостью аг, з стремится, наоборот, сжать каплю, т. е. поверхностная энергия уменьшается за счет снижения площади поверхности. Растека­нию препятствуют когезионные силы, действующие внутри кап­ли. Действие когезионных сил направлено от границы между твердой, жидкой и газообразной фазами по касательной к сфе­рической поверхности капли и равно 02,1 (силы гравитации не учитываются). Угол 6, который образован касательными к меж­фазным поверхностям, ограничивающим смачивающую жид­кость, имеющий вершину на линии раздела трех фаз, называ­ется краевым углом, или углом смачивания.

Так как поверхностное натяжение можно рассматривать как энергию, приходящуюся на единицу площади, или как силу, действующую на единицу длины, то все рассмотренные состав­ляющие поверхностной энергии можно выразить с помощью векторов сил. При равновесии между ними соблюдается следу­ющее соотношение:

03,1 = 02,3+02,1 cos ®

Полученное соотношение называется законом Юнга. Отсю­да количественную характеристику смачивания как косинус краевого угла можно выразить через поверхностные межфаз­ные натяжения:

Cos 0 = (стз. і — а2,з)/02,і

При выводе закона Юнга предполагается взаимное равно­весие между всеми фазами. Отсюда следует, что в результате установления равновесия между парами жидкости и поверх­
ностью твердого тела на последней формируется адсорбцион­ная пленка, снижающая поверхностное натяжение твердого тела. Учет такого изменения поверхностного натяжения с боль­шей строгостью позволяет использовать закон Юнга.

Чем меньше угол 0 и соответственно больше cos 0, тем луч­ше смачивается поверхность. При остром угле 0, т. е. при cos0>O, поверхность считают хорошо смачиваемой данной жидкостью. Если угол 0 тупой, т. е. COS0<O, то по отношению к данной жидкости поверхность смачивается плохо (часто го­ворят «не смачивается»). Таким образом, границей между сма­чиваемостью и несмачиваемостью является угол 0 = 90°, или cos 0 = 0. Полного несмачивания, т. е. такого положения, когда краевой угол равен 180°, практически никогда не наблюдается, так как при соприкосновении конденсированных тел поверх­ностная энергия всегда уменьшается и ог, з не может оставаться равной сумме 03,1+02,1.

Смачиваемость водой некоторых твердых тел характеризу­ется следующими краевыми углами: кварц — 0°; малахит — 17°, графит — 55°, тальк — 69°; парафин—106°. Хуже всего смачивается водой фторопласт, на котором угол смачивания во­дой 108°.

Различные жидкости неодинаково смачивают одну и ту же поверхность. Согласно приближенному правилу лучше смачи­вает поверхность та жидкость, которая ближе по полярности к смачиваемому веществу (она сильнее с ним взаимодействует) и имеет меньшее поверхностное натяжение [это следует из уравнения (11.146)].

При нанесенни на поверхность твердого тела двух жидкос­тей, нерастворимых друг в друге, между ними образуется крае­вой угол, характеризующий относительную способность этих жидкостей смачивать данное тело, т. е. избирательность смачи­вания. Очевидно, что та жидкость, которая лучше смачивает поверхность, обладает большей избирательной рмачивающей способностью по отношению к данному веществу (его поверх­ности).

Для сравнительной оценки смачиваемости поверхностей различными жидкостями обычно сопоставление проводят с во­дой. Еслн между нанесенными на поверхность водой и непо­лярным углеводородом краевой угол меньше 90° со стороны воды, то поверхность называют гидрофильной или олеофобной. Если же краевой угол меньше 90° со стороны неполярного углеводорода, то поверхность будет олеофильной или гидро­фобной. Гидрофильную поверхность имеют, например, оксиды и гидроксиды металлов, силикаты, сульфаты, карбонаты. Гид­рофобной поверхностью обладают органические соединения с большим содержанием углеводородных групп, сульфиды ме­таллов и др.

Краевой угол удобно измерять с помощью довольно простой установки, принцип действия которой состоит в проектировании капли на экран и измерении краевого угла на проекции капли. Для измерения краевого угла можно использовать таюке ка­тетометр — прибор для точного измерения интервала между двумя точками на расстоянии. По основным размерам капли (высота, радиус периметра контакта) рассчитывают краевой угол. Следует отметить, что найти точное значение краевого угла нелегко, главным образом из-за трудности получения чистой поверхности. Загрязнения (адсорбция компонентов воз­духа, оксидные пленки, следы жиров и т. д.) сильно искажают результаты. Большая чувствительность угла смачивания к за­грязнениям часто используется для определения чистоты по­верхности.