Краевой угол смачивания: понятие, методы измерения
- Краевой угол смачивания: понятие, гидрофильные и гидрофобные поверхности
- Способы измерения краевого угла смачивания
- Применение гидрофобных покрытий
Краевой угол смачивания: понятие, гидрофильные и гидрофобные поверхности
Краевым углом смачивания называется угол между твердой поверхностью и каплей жидкости в точке контакта трех фаз – твердой, жидкой и газообразной.
Величина угла смачивания показывает степень межмолекулярного взаимодействия частиц жидкости и поверхности твердого тела.
Смачиванием называется такое взаимодействие твердого тела и жидкости, при котором последняя растекается по поверхности. Площадь контакта капли и тела при смачивании максимальна.
Это происходит из-за неравенства сил адгезии и когезии.
Адгезия действует на сцепление молекул разнородных материалов: жидкого и твердого. Она направлена противоположно когезии, которая действует на сцепление молекул внутри капли жидкости.
Когда адгезия превышает когезию, происходит растяжение капли по поверхности твердого тела. При этом угол смачивания оказывается острым.
Если угол равен или приближен к 0, то говорят о полном смачивании поверхности и ее супергидрофильности.
Менискообразные капли, соответствующие углу смачивания около 60 градусов, образуются на гидрофильных поверхностях. Такие капли формируются при попадании воды на стекло, ртути на цинковую поверхность.
Если когезионное взаимодействие молекул внутри капли жидкости превышает силы адгезии, то капля стремится приобрести шарообразную форму, а площадь ее контакта с твердым телом уменьшается.
Поверхности, при попадании на которые жидкости приобретают полукруглую форму, называются гидрофобными. Угол смачивания в таком случае равен или превышает 90 градусов.
На сверхгидрофобных поверхностях жидкость приобретает форму шара, краевой угол смачивания стремится к 180 градусам. В природе таких явлений не наблюдается.
Термины гидрофильность и гидрофобность применяются в случаях взаимодействия твердых поверхностей и воды. Смачиваемость или несмачиваемость другими жидкостями называются лиофильностью и лиофобностью.
Способы измерения краевого угла смачивания
Один из самых простых и распространенных способов измерения краевого узла смачивания – фотофиксация.
Капля воды или другой жидкости наносится на горизонтальную поверхность, после чего проводится фотосъемка. Угол определяют по полученному изображению.
Данный способ измерения также называют методом «сидячей капли».
Для более профессионального и точного измерения угла смачивания используются специальные приборы.
Они состоят из нескольких камер, регистрирующих каплю с разных ракурсов, дозирующих систем, подающих жидкость, программного обеспечения для автоматического определения не только краевого угла смачивания, в том числе под давлением, но и расчета свободной энергии поверхности, поверхностного и межфазного натяжения.
Существуют устройства с измерением угла смачивания методом отраженного света. Они позволяют измерить краевой угол смачивания на поверхности со сложным рельефом, не разрушая ее.
Наблюдение за каплей в этом случае происходит сверху. Краевой угол рассчитывается на основании расстояния между двумя точками отраженного света с кривой поверхности капли. Фиксация осуществляется в формате видео. Камера передает отраженный свет на компьютер, где осуществляется расчет.
Такие приборы позволяют также выявить неоднородность смачивания за счет наблюдения сверху.
Измерение угла смачивания необходимо для создания и модернизации гидрофобных покрытий. Сегодня они находят очень широкое применение.
Применение гидрофобных покрытий
Гидрофобное покрытие – это материал, который наносится на поверхности для обеспечения их водонепроницаемости и несмачиваемости.
Они защищают поверхности от разрушающего воздействия влаги и намокания.
В быту такие материалы применяются на стеклах и частях корпусов автомобилей, обуви, тканях, экранах гаджетов для обеспечения стекания капель воды без удерживания на поверхности.
Более широкое использование они получили в промышленности.
При строительстве конструкций гидрофобные пропитки позволяют предотвратить разрушение пористых материалов под воздействием влаги и увеличить надежность и срок их эксплуатации.
На деталях оборудования они выполняют ряд важных функций: защита от коррозии, обледенения, увеличение срока службы.
Например, для узлов промышленного оборудования разработано гидрофобное покрытие MODENGY 1009.
В его состав включен политетрафторэтилен. Он обладает низкой адгезией к большинству материалов. Данное вещество также обеспечивает низкий коэффициент трения, благодаря чему сфера применения покрытия очень широка.
Например, покрытие MODENGY 1009 наносится на механизмы оборудования, работающего при отрицательных температурах. За счет предотвращения задерживания конденсата материал защищает от примерзания и обеспечивает штатное срабатывание устройств.
Также покрытие эффективно работает на механизмах, эксплуатируемых в агрессивных средах, таких как морской климат. Оно защищает обработанные поверхности от воздействия соляного тумана и предотвращает оседание капель соленой воды. Благодаря этому обеспечивается длительная защита от коррозионного разрушения.
Свойства гидрофобных покрытий полезны на производствах, оборудование которых работает с расплавленными полимерными материалами. Это станки по упаковке изделий в пленку, термоформовочные аппараты, экструзионные линии, форсунки для подачи расплавленного пластика, формообразующая оснастка.
Применение покрытия позволяет предотвратить прилипание и нагар разогретых полимеров, благодаря чему повышаются срок службы оборудования и качество продукции, ускоряется процесс производства.