Kontaktní úhel

Úhel smáčení , také úhel smáčení , kontaktní úhel ( angl. Contact angle ) - úhel, který je svírán mezi tečnou přitaženou k povrchu kapalné-plynné fáze a pevným povrchem s vrcholem umístěným v bodě kontaktu tří fáze, a podmíněně měřené vždy uvnitř kapalné fáze [1] . Označuje se řeckým písmenem theta - θ.

Úhel smáčení je kvantitativní charakteristika procesu smáčení , jeho hodnota určuje mezimolekulární (atomární, iontovou) interakci částic na povrchu pevných látek s kapalinami.

Fyzický popis

Má se za to, že pokud je hodnota kontaktního úhlu menší než θ<90°, pak kapalina smáčí pevný povrch a samotný povrch se nazývá lyofilní (pokud je kapalina hydrofilní ), pokud je hodnota kontaktu úhel větší než θ>90°, pak pevný povrch není smáčen kapalinou a je lyofobní (v případě vody hydrofobní ). Při úplném nebo absolutním smáčení ( šíření ) je kontaktní úhel nulový, při úplném nebo absolutním nesmáčení - 180 °, druhá hodnota se v přírodě nedodržuje. Rovnovážný kontaktní úhel se vypočítá podle Youngova zákona :

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

kde , respektive , jsou povrchové energie na rozhraní pevná látka-plyn, kapalina-pevná látka a kapalina-plyn [2] . $\sigma_{23}$ $\sigma _{13}$ $\sigma_{12}$

Hodnota kosinu kontaktního úhlu určuje, zda je pevný povrch smáčen kapalinou nebo ne. Hodnoty kosinus kontaktního úhlu jsou uvedeny v tabulce:

hodnota cosθ	hodnota θ	Popis
jeden	0°	Při dané hodnotě kosinusu se kapalina zcela rozlije po povrchu pevného tělesa, takové povrchy se nazývají superhydrofilní.
1/2	60°	Kapalina na povrchu pevné látky tvoří kapky ve tvaru menisku. Kontaktní plocha kapaliny s povrchem je zmenšena. Takové povrchy se nazývají hydrofilní.
0	90°	Kapalina získává půlkruhový tvar, plocha kontaktu s povrchem je ještě menší.
-jeden	180°	Kapalina na povrchu pevné látky tvoří kulovité kapky, taková hodnota kontaktního úhlu se však v přírodě nepozoruje.

Hodnota kontaktního úhlu závisí na práci adheze a soudržnosti . Kontaktní úhel souvisí s prací adheze podle Dupre-Youngovy rovnice :

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

kde σ 12 je povrchové napětí na rozhraní mezi dvěma fázemi (kapalina-plyn), cosθ je kosinus úhlu smáčení, Wa je vratná práce adheze. Tato rovnice může být reprezentována v následujícím tvaru:

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

Pokud rovnici vydělíme 2, pak můžeme dostat závislost práce adhezních a kohezních sil na hodnotě úhlu smáčení:

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

Práce adheze - Wa je zaměřena na rozprostření kapaliny po povrchu pevného tělesa, protažením. Současně je práce kohezních sil - Wk opačná než práce adheze a přispívá ke kontrakci kapaliny do tvaru kapky, což zabraňuje šíření. Z toho vyplývá, že čím vyšší hodnoty Wa a nižší Wc, tím silněji bude pevný povrch smáčen kapalinou (v důsledku toho hodnota θ<90°) a naopak. Jinými slovy, aby se zlepšilo smáčení pevného povrchu kapalinou, je nutné zvýšit práci adheze a snížit práci soudržnosti.

Hystereze zvlhčování

Hystereze smáčení se nazývá hystereze , která je výsledkem různých hodnot úhlů smáčení v bodech dotyku vzájemně se ovlivňujících fází (tzv. postupné a ustupující úhly). Jinými slovy, hystereze smáčení je zpoždění při ustavení rovnovážného úhlu. Rozdíl v kontaktních úhlech je způsoben tím, že úhel v místě kontaktu povrchu kapaliny se suchým povrchem pevné látky má větší hodnotu, než když přijde do kontaktu s povrchem stejného tělesa, před- navlhčený.

Existují dva typy hystereze:

kinetický
statický.

Kinetický typ hystereze smáčení vzniká při pohybu (změně) smáčecích úhlů - rozdíl mezi úhly postupování (vždy větší než rovnovážný úhel) a ustupování (vždy menší než rovnovážný úhel).

Statistický typ je způsoben zmenšením obvodu smáčení. Vypočítá se jako rozdíl mezi rovnovážným úhlem a vypočteným úhlem.

Metody měření

Existuje několik metod měření kontaktního úhlu.

Jednou z nejběžnějších je metoda přisedlé kapky. Podstata metody spočívá v tom, že se kapka vody nanese na rovnou vodorovnou pevnou plochu, vyfotografuje se a z profilu kapky se určí kontaktní úhel. Takto získané statické úhly však nejsou, přísně vzato, ustupující úhly θ od vody nebo postupující θ vody. Někdy se statický úhel přisedlé kapky nazývá rovnovážný úhel.

Upravenou metodou přisedlé kapky je metoda lisované kapky. Pomocí této metody můžete přímo získat úhly přítoku a odtoku. Tyto úhly však závisí na přítlačné síle kapky.

Superhydrofobicita

Superhydrofobicita nebo superhydrofobicita je jev velmi slabé interakce povrchových částic pevných látek s kapalinami, zejména s vodou. Hodnoty kontaktního úhlu jsou větší než 150°. Díky slabým interakčním silám (hodnotám Wa << Wk) s tímto druhem povrchu a vysoké hodnotě povrchového napětí má vodní kapka kulovitý tvar, čímž se zmenšuje kontaktní plocha se superhydrofobním povrchem. V přírodě je fenomén superhydrofobicity známý jako lotosový efekt .

Poznámky

↑ A. Schwartz, J. Perry. Povrchově aktivní látky. - M . : Zahraniční literatura, 1953. - S. 250. - 550 s.
↑ Nachinkin O.I. Polymerové mikrofiltry. - M .: Chemie, 1985. - S. 65. - 216 s.