Kontaktvinkel

Vätningsvinkel , även vätningsvinkel , kontaktvinkel ( eng. Kontaktvinkel ) - den vinkel som bildas mellan tangenten som dras till ytan av vätske-gasfasen och en fast yta med en vertex belägen i kontaktpunkten för de tre faser, och villkorligt mätt alltid inuti vätskefasen [1] . Det betecknas med den grekiska bokstaven theta - θ.

Vätningsvinkeln är en kvantitativ egenskap hos vätningsprocessen , dess värde bestämmer den intermolekylära (atomära, joniska) interaktionen mellan partiklar på ytan av fasta ämnen med vätskor.

Fysisk beskrivning

Man tror att om värdet på kontaktvinkeln är mindre än θ<90° så väter vätskan den fasta ytan, och själva ytan kallas lyofil (om vätskan är vatten - hydrofil ), om värdet på kontakten vinkeln är större än θ>90°, då väts den fasta ytan inte av vätska och är lyofob (i fallet med vatten, hydrofob ). Med fullständig eller absolut vätning ( spridning ) är kontaktvinkeln noll, med fullständig eller absolut icke-vätning - 180 °, det senare värdet observeras inte i naturen. Jämviktskontaktvinkeln beräknas enligt Youngs lag :

${\cos \theta ={\frac {\sigma _{23}-\sigma _{13}}{\sigma _{12}}}}$ ,

där , , respektive , är ytenergierna vid gränssnitten fast-gas, flytande-fast och flytande-gas [2] . $\sigma_{23}$ $\sigma _{13}$ $\sigma_{12}$

Värdet på cosinus för kontaktvinkeln avgör om en fast yta vätas av en vätska eller inte. Värdena på cosinus för kontaktvinkeln anges i tabellen:

cosθ-värde	θ-värde	Beskrivning
ett	0°	Vid ett givet värde på cosinus sprider sig vätskan helt över ytan av en fast kropp, sådana ytor kallas superhydrofila.
1/2	60°	Vätska på ytan av ett fast ämne bildar meniskformade droppar. Vätskans kontaktyta med ytan reduceras. Sådana ytor kallas hydrofila.
0	90°	Vätskan får en halvcirkelformad form, kontaktytan med ytan är ännu mindre.
-ett	180°	Vätskan på ytan av ett fast ämne bildar sfäriska droppar, men ett sådant värde på kontaktvinkeln observeras inte i naturen.

Värdet på kontaktvinkeln beror på arbetet med vidhäftning och kohesion . Kontaktvinkeln är relaterad till vidhäftningsarbetet med Dupre-Youngs ekvation :

${\displaystyle {Wa=\sigma _{12}(1+\cos {\theta )))))$ ,

där σ 12 är ytspänningen vid gränsytan mellan två faser (vätske-gas), cosθ är cosinus för vätningsvinkeln, Wa är det reversibla vidhäftningsarbetet. Denna ekvation kan representeras i följande form:

${{\frac {Wa}{\sigma _{12}}}=1+\cos {\theta }}$ .

Om ekvationen delas med 2, kan vi få beroendet av vidhäftnings- och kohesionskrafternas arbete på värdet på vätningsvinkeln:

${\frac {Wa}{Wk}}={\frac {1+\cos {\theta }}{2}}$ .

Arbetet med vidhäftning - Wa syftar till att sprida en vätska över ytan av en fast kropp genom sträckning. Samtidigt är arbetet med kohesiva krafter - Wk motsatsen till vidhäftningsarbetet och bidrar till att vätskan dras samman till en droppform, vilket förhindrar spridning. Det följer av detta att ju högre värden på Wa och lägre Wc är, desto starkare kommer den fasta ytan att vätas av vätskan (som en konsekvens, värdet på θ<90°) och vice versa. Med andra ord, för att förbättra vätningen av en fast yta med en vätska, är det nödvändigt att öka vidhäftningsarbetet och minska sammanhållningsarbetet.

Vätningshysteres

Vätningshysteres kallas hysteres , vilket är ett resultat av olika värden på vätningsvinklar vid kontaktpunkterna för de interagerande faserna (de så kallade fram- och vikvinklarna). Med andra ord är vätningshysteresen fördröjningen av upprättandet av jämviktsvinkeln. Skillnaden i kontaktvinklarna beror på att vinkeln vid kontaktpunkten av vätskeytan med den torra ytan av fastämnet har ett större värde än när den kommer i kontakt med ytan på samma kropp, pre- blött.

Det finns två typer av hysteres:

kinetisk
statisk.

Den kinetiska typen av vätningshysteres uppstår när vätningsvinklarna rör sig (förändras) - skillnaden mellan vinklarna för avancemang (alltid större än jämviktsvinkeln) och avtagande (alltid mindre än jämviktsvinkeln).

Den statistiska typen beror på en minskning av vätningsperimetern. Den beräknas som skillnaden mellan jämviktsvinkeln och den beräknade vinkeln.

Metoder för mätning

Det finns flera metoder för att mäta kontaktvinkeln.

En av de vanligaste är den fastsittande droppmetoden. Kärnan i metoden ligger i det faktum att en droppe vatten appliceras på en plan horisontell fast yta, fotograferad och kontaktvinkeln bestäms från droppens profil. De statiska vinklarna som sålunda erhålls är emellertid strängt taget inte vikande vinklar θ från eller framåtskridande θ av vattnet. Ibland kallas den fastsittande droppens statiska vinkel för jämviktsvinkeln.

En modifierad fastsittande droppmetod är den pressade droppmetoden. Med denna metod kan du direkt få vinklarna för inflöde och utflöde. Dessa vinklar beror dock på droppens presskraft.

Superhydrofobicitet

Superhydrofobicitet eller superhydrofobicitet är fenomenet med mycket svag interaktion mellan ytpartiklar av fasta ämnen och vätskor, i synnerhet med vatten. Kontaktvinkelvärden är större än 150°. På grund av svaga samverkanskrafter (värden Wa << Wk) med denna typ av yta och det höga värdet av ytspänning, antar vattendroppen en sfärisk form, vilket minskar kontaktytan med den superhydrofoba ytan. I naturen är fenomenet superhydrofobicitet känt som lotuseffekten .

Anteckningar

↑ A. Schwartz, J. Perry. Ytaktiva ämnen. - M . : Utländsk litteratur, 1953. - S. 250. - 550 sid.
↑ Nachinkin O.I. Polymer mikrofilter. - M .: Kemi, 1985. - S. 65. - 216 sid.