The dependence of contact angle value from surface features on the interphase boundaries (EN) / Зависимость величины краевого угла смачивания от поверхностных характеристик на границах раздела фаз (RU)

В. К. Верхоломов

Аннотация

В результате расчетных исследований установлено однозначное соответствие между величиной θ₀ и силой адгезии твердого тела σ_A. Переход от классического уравнения Юнга к уравнению Юнга-Верхоломова (от свободной поверхностной энергии твердого тела σ_SV к σ_A) позволяет прогнозировать разработку новых твердых гладких покрытий с θ₀ ≥ 130-135⁰.

// Science and World. 2017. № 12, V. 1, p. 15-17

Введение

Важной характеристикой в теории поверхностных явлений, вообще, и в процессах смачивания, в частности, является величина равновесного краевого угла смачивания [1]. Она позволяет судить, например, о характеристиках гидрофобности/гидрофильности той или иной твердой поверхности, а также о том, как изменяются эти характеристики при воздействии различных внешних факторов (влажности, температуры и др.) [2]. Поэтому определение величины равновесного краевого угла является важной задачей при исследовании физики поверхностных явлений, сопровождающих процессы смачивания.

Как известно, в настоящее время в теории смачивания существуют два подхода, две концепции при определении величины равновесного краевого угла: механическая и термодинамическая.

Родоначальником первой концепции был Т.Юнг, который рассматривал систему твердое тело/жидкость/пар, как разновидность изолированной механической системы, основанной на взаимодействии возникающих в системе сил [5].

Родоначальником второй (термодинамической) концепции был У.Гиббс. Для термодинамической системы справедливо одно из основных положений термодинамики: в состоянии равновесия потенциальная энергия системы минимальна [4]. На основании этой концепции было получено уравнение равновесного краевого угла, известное как классическое уравнение Юнга

Cosθ₀=(σ_SV – σ_SL)/ σ_LV, (1)

где σ_SV, σ_SL – величины поверхностной энергии на границах твердое тело/пар и твердое тело/жидкость соответственно; σ_LV- величина поверхностной энергии на границе жидкость/пар (энергия поверхностного натяжения).

Значительным достижением молекулярной теории смачивания последнего времени явилось то, что свободная поверхностная энергия, как твердого тела, так и жидкости была представлена в виде суммы двух составляющих: дисперсионной и полярной [6,7]:

σ_SV = σ_SV^d + σ_SV^p (2)

σ_LV = σ_LV^d + σ_LV^p , (3)

где σ_SV^d, σ_LV^d – дисперсионные составляющие поверхностной энергии и поверхностного натяжения твердого тела и жидкости соответственно; σ_SV^p, σ_LV^p – полярные составляющие поверхностной энергии и поверхностного натяжения твердого тела и жидкости соответственно.

В настоящее время в теории смачивания сложилась противоречивая, ненормальная ситуация. Она заключается в том, что одновременно существуют обе концепции и обе концепции считаются правильными. Правда, термодинамическая концепция считается более полной, а потому является главенствующей.

В работе [3] сделана попытка рассмотреть исследуемую систему в качестве термодинамической. Показано, что с позиции закона сохранения энергии (первое начало термодинамики) в процессе растекания капли жидкости по твердой поверхности внутренняя энергия системы сохраняется неизменной (E=Const), а не достигает минимального значения, как это происходит в случае изолированной термодинамической системы [4]. А сам процесс растекания капли жидкости в любых термодинамических координатах (V-P, S-T и др.) изображается в виде точки.

Все эти факты уже позволяют сделать основной вывод о том, что систему твердое тело/жидкость/пар не представляется возможным

рассматривать в качестве термодинамической системы.

Целями настоящей работы было проведение дополнительных численных расчетов по оценке зависимости величины θ₀ от поверхностных энергетических и силовых характеристик исследуемой системы в соответствии с рассматриваемыми концепциями.

1. Уравнение Юнга-Верхоломова краевого угла смачивания

Дальнейшим развитием концепции Юнга на систему твердое тело/жидкость/пар, как на механическую систему, явилось полученное в [8,9] новое уравнение равновесного краевого угла, названное уравнением Юнга-Верхоломова. Оно имеет следующий вид:

Cos θ₀=(σ_A–σ_LS)/σ_LV , (4)

где σ_A – сила адгезии твердой поверхности на границе с паром; σ_LS, σ_LV – силы поверхностного натяжения жидкости на границах раздела жидкость/твердое тело и жидкость/пар соответственно.

В [9] было показано, что величину силы адгезии, входящую в уравнение Юнга-Верхоломова, можно определить с помощью уравнения

σ_A= √σ_SV^d σ_LV^d + √σ_SV^p σ_LV^p (5)

2. Зависимость краевого угла от поверхностных силовых и энергетических характеристик. Обсуждение результатов

Имеющиеся в литературе экспериментальные данные показывают, что при смачивании одной и той же жидкостью (σ_LV =Const) твердой поверхности определенное значение краевого угла получается при вполне определенном значении силы адгезии. Попытаемся установить, сохранится ли такое однозначное соответствие между краевым углом смачивания и силой адгезии на разных по энергетическим характеристикам твердых поверхностях. Для подтверждения этого рассмотрим отдельно несколько гидрофильных и несколько гидрофобных поверхностей. В качестве смачивающей жидкости примем воду. Ее поверхностные энергетические характеристики: σ_LV^d =21,8 мДж/м²; σ_LV^p =50,8 мДж/м² и σ_LV =72,6 мДж/м² [1]. Вначале рассмотрим вариант с гидрофильными поверхностями. Задача формулируется следующим образом: получить одно и то же значение краевого угла (например, θ₀ = 10⁰) на нескольких твердых поверхностях с различными энергетическими характеристиками. В качестве примера выберем четыре таких поверхности: A, B, C и D. Для большей определенности предварительно зададим для этих поверхностей различные значения полярной составляющей σ_SV^p от 0 до 15 мДж/м². Соответствующие значения дисперсионной составляющей поверхностной энергии твердого тела можно определить с помощью следующего соотношения:

σ_SV^d = [σ_LV (1+Cosθ₀)/2 - √ σ_SV^p σ_LV^p ]²/ σ_LV^d . (6)

В табл.1 приведены результаты расчетов свободной поверхностной энергии, а также ее составляющих, и силы адгезии с помощью уравнений (2,5) для четырех гидрофильных твердых тел при θ₀=10⁰. В табл.2 – аналогичные результаты для гидрофобных твердых тел при θ₀=110⁰. В последнем случае предварительно зададим значения полярной составляющей σ_SV^p от 0 до 6 мДж/м².

Таблица 1.

Поверхностные энергетические характеристики при смачивании водой гидрофильных твердых тел и θ₀=10⁰

Энерг. хар. поверхности	σ_SV^p, мДж/м²	σ_SV^d, мДж/м²	σ_SV, мДж/м²	√σ_SV^p σ_LV^p, мH/м	√σ_SV^d σ_LV^d, мH/м	σ_A, мH/м
A	0	238	238	0	72	72
B	5	144,4	149,4	15,9	56,1	72
C	10	112,6	122,6	22,5	49,5	72
D	15	90,6	105,6	27,6	44,4	72

Таблица 2.

Поверхностные энергетические характеристики при смачивании водой гидрофобных твердых тел и θ₀=110⁰

Энерг. хар. поверхности	σ_SV^p, мДж/м²	σ_SV^d, мДж/м²	σ_SV, мДж/м²	√σ_SV^p σ_LV^p, мH/м	√σ_SV^d σ_LV^d, мH/м	σ_A, мH/м
A′	0	26,2	26,2	0	23,9	23,9
B′	2	8,7	10,7	10,1	13,8	23,9
C′	4	4,2	8,2	14,3	9,6	23,9
D′	6	1,9	7,9	17,5	6,4	23,9

Аналогичные результаты расчетов были получены для других углов θ₀ и для других смачивающих жидкостей (этиленгликоль).

Как следует из табл. 1 и 2, в качестве примера было рассмотрено восемь различных твердых поверхностей, из которых поверхности A и A′ являются неполярными, а остальные – полярными. В табл. приведены также соответствующие значения дисперсионной и полярной составляющих поверхностных энергий. Результаты расчетов показывают, как существенно уменьшается величина свободной энергии твердой поверхности по мере увеличения полярной составляющей для получения одного и того же значения краевого угла. Так в случае гидрофильных поверхностей при переходе от неполярной поверхности A (σ_SV^p=0) к полярной поверхности D (σ_SV^p=15 мДж/м²) величина свободной поверхностной энергии уменьшается в 2,6 раза. Примерно такая же картина наблюдается для случая гидрофобных твердых тел: при переходе от неполярной поверхности A′ к полярной поверхности D′ свободная энергия уменьшается в 3,3 раза.

Из результатов расчетов можно сделать два основных вывода.

Во-первых, каждому значению краевого угла θ₀ соответствует только одно значение силы адгезии. Следовательно, между величинами θ₀ и σ_A существует четкое однозначное соответствие.

Во-вторых, одно и то же значение краевого угла можно получить на бесконечно большом количестве твердых поверхностей¸ различающихся величинами свободной поверхностной энергии. Следовательно, между величинами θ₀ и σ_SV нет однозначного соответствия. Это еще раз показывает неработоспособность классического уравнения Юнга для определения краевого угла θ₀, полученного в рамках термодинамической концепции.

Заключение

1. Показано, что в случае смачивания одной и той же жидкостью (σ_LV=Const) определенное значение краевого угла получается на бесконечно большом количестве твердых поверхностей, различающихся значениями свободной поверхностной энергии. И, напротив, каждому значению краевого

угла соответствует строго определенное значение силы адгезии.

2. Для повышения гидрофобных свойств вновь разрабатываемых гладких твердых поверхностей (покрытий) при смачивании той или иной жидкостью необходимо снижать величину соответствующей силы адгезии.

Литература

Сумм Б. Д., Горюнов Ю. В. Физико-химические основы смачивания и растекания – М.: Химия, 1976. – 232 с.
Верхоломов В.К. Экспериментальная оценка гидрофобных свойств различных покрытий. // Физика и химия обработки материалов. 2014. № 3, с. 33-37.
Верхоломов В. К. Новая концепция оценки системы твердое тело / жидкость / пар при смачивании. // Science and world. – 2017. № 10, V.1, с. 11 - 15.
Гуггенгейм Е. А. Современная термодинамика, изложенная по методу У. Гиббса. - М.-Л.: Гостеххимиздат, 1941. – 188 с.
Young T. Essay on the Cohesion of Fluids. // M. D. For. Sec. R. S. 1804. P. 65- 87.
Fowkes F. M. Dispersion Force Contributions to Surface and Interfacial Tensions, Contact Angles, and Heats of Immersion. Advances in Chemistry Series. American Chemical Society, Washington. 1964. № 43, p. 99 - 111.
Owens D. K., Wendt R. C. Estimation of the Surface Free Energy of Polymers. // J. Appl. Polym. Sci. 1969. V. 13, p. 1741-1747.
Verkholomov V. K. About the New Equation of Contact Angle. / V.K. Verkholomov // Materials of the XI international research and practice conference «Science, Technology and Higher Education». October 19-20, 2016. Westwood, Canada. - P. 138-143.
Verkholomov V. K. Physical Features of the New Equation (Equation Jung - Verkholomov) of Contact Angle. / V.K. Verkholomov // Materials of the XII international research and practice conference «Science, Technology and Higher Education». December 21-22, 2016. Westwood, Canada. - P. 97-110.

Статьи

Жалоба
2 093

syshatunov от 14.12.2018, 16:44:01

The dependence of contact angle value from surface features on the interphase boundaries (EN) / Зависимость величины краевого угла смачивания от поверхностных характеристик на границах раздела фаз (RU)

Похожее

Теги