Лако-красочные материалы — производство

Рассмотренные закономерности смачивания выполняются на: всех поверхностях жидкостей и только на идеально гладких и однородных поверхностях твердых тел. На поверхности реаль­ных твердых тел обязательно имеются шероховатости, неодно­родности, поры, трещины и т. д., которые влияют на краевой угол и затрудняют определение равновесных краевых углов. Отклонения статических краевых углов от равновесных значе­ний характеризуются гистерезисом смачивания, анализ которо­го позволяет вскрыть его причины. Эти причины могут быть различными: загрязнение поверхности твердых тел, протека^ щие процессы испарения, растворения, адсорбции и т. д.

Рассмотрим кинетический Гистерезис, обусловленный глав­ным образом отсутствием поступательного теплового движения молекул твердого тела (другими словами, наличием потенци­ального барьера), что замедляет достижение равновесндй формы капли. При кинетическом гистерезисе краевые углы за­висят от времени нахождения капли жидкости на поверхности твердого тела.

При наличии гистерезиса смачивания различаются краевые углы натекания и оттекания (рис. 11.20). Убедиться в их на­личии легко, если к капле жидкости, образующей на твердой поверхности равновесный краевой угол, аккуратно добавить или отобрать от нее очень небольшое количество той же жид­кости. Как видно из рис. 11.20, а, в обоих случаях площадь по­верхности, занимаемая каплей, сразу не изменится, а соответ­ственно увеличится или уменьшится так называемый статичес­кий краевой угол. При увеличении капли формируется краевой угол натекания, а — при ее уменьшении — краевой угол оттека­ния За образованием краевых углов натекания и оттекания удобно наблюдать, если наклонять пластину, на которую нане­сена капля (рис. 11.20, б). В нижней ее части образуется угол натекания, а в верхней — угол оттекания. Чаще всего под эти­ми терминами имеют в виду предельные значения этих углов,.

Т. е. максимальный угол — угол натекания и минимальный угол — угол оттекания. Начиная с некоторого момента после формирования этих углов начинает изменяться площадь по­верхности, занимаемая каплей: она увеличивается при дости­жении предельного угла натекания и уменьшается при дости­жении предельного угла оттекания. При этом преодолевается потенциальный барьер, тормозящий достижение равновесия. Количественно потенциальный барьер можно определить, на­клоняя постепенно пластину с каплей: в момент начала тече­ния капли достигаются предельные углы, а составляющая силы тяжести, направленная параллельно поверхности пластины, равна силе сопротивления, которая соответствует потенциаль­ному барьеру.

Зная силу сопротивления, приходящуюся на единицу длины периметра контакта (потенциальный барьер), можно получить соотношение между предельными углами натекания (оттека­ния) и равновесным краевым углом. Так как угол натекания е„т больше равновесного краевого угла 0, то

CT2,l COS 0ВТ < CT2,l COS 0 {11.150)"

Метастабильное равновесие возможно при условии, что разница между правой и левой частью неравенства (11.150) равна силе сопротивления («трения»), или потенциальному барьеру. Поэтому

СТ2,1 COS 0ят= 02,1 cos 0 — 1|)„T или cos 0ят= cos 0 — фнт/аг. і (11.151)

Для угла оттекания получим:

Cos 0от= cos 0 + фот/о2,і (П. 152)

Где гркт и фот — потенциальные барьеры для статических углов натекания и оттекания соответственно. Они измеряются в тех же единицах, что и: поверхностное натяжение.

Как правило, ^нтт^фот, однако при определении равновесно­го краевого угла обычно принимают

Ф„т ~ фот ИЛИ COS 0НТ+ COS 0от=2 COS 0 (11.153)

Для приближенной оценки иногда считают, что равновесный угол смачивания равен полусумме предельных углов натекания и оттекания.

Если потенциальный барьер, который возникает даже на гладких поверхностях, тормозит достижение равновесного зна­чения краевого угла, то шероховатость поверхностей твердых тел изменяет равновесный угол.

Шероховатость характеризует микрорельеф поверхности твердого тела, т. е. наличие на ней выступов и впадин. Микро­рельеф измеряют с помощью профилографов, регистрирующих

Неровности до 0,1 мкм. Более мелкие неровности обнаружива­ются с помощью интерференционных и электронных микроско­пов. Количественно шероховатость характеризуется высотой (глубиной) выступа (впадины) или с помощью коэффициента шероховатости К — отношения фактической площади поверх­ности (с учетом площади выступов и впадин) к ее проекции на горизонтальную плоскость. Из определения следует, что всегда /С>1. Например, даже после шлифовки поверхность ме­таллов может иметь К= 1,005.

Влияние шероховатости на равновесный краевой угол легко учесть при условии, что размер капли значительно больше среднего размера выступов и впадин на поверхности. Так как в уравнении Юнга (11.145) составляющие поверхностного натя­жения на границе с твердым телом будут в К раз больше, то можно записать:

/С (Стз, 1— 02,3і = <72,1 COS 0ш (11.154)

Где 0ш — равновесный краевой угол на шероховатой поверхности.

Если записанное выражение разделить на уравнение Юнга (11.145) с краевым углом 6 на идеально гладкой поверхности, то получим:

/C=cos Єш/cos 0 (11.155)

Соотношение (11.155) получило название уравнения Венце — ля — Дерягина. Так как всегда /С>1, то | cos 0Ш| > | cos 01. При смачивании cos0>O, поэтому шероховатость, увеличивая cos 0ш, уменьшает угол смачивания, т. е. смачивание улучшает­ся. Если cos0<O (лиофобная поверхность), то шероховатость, увеличивая отрицательную величину cos0Ш, способствует росту угла смачивания, т. е. смачивание ухудшается.