Смачивание и краевые углы

Смачивание — это процесс образования контакта между жидкостью и твёрдой поверхностью, который определяется взаимодействием молекул жидкости с молекулами твёрдого тела. Степень смачивания характеризуется краевым углом, который является углом между поверхностью жидкости и твердой подложкой на линии тройной границы раздела фаз: жидкость–твердое тело–газ.

Теоретические основы краевого угла

Краевой угол () определяется равновесием сил поверхностного натяжения на тройной границе и подчиняется уравнению Юнга:

[ {SG} = {SL} + _{LG} ]

где:

(_{SG}) — поверхностная энергия твёрдого тела относительно газа,
(_{SL}) — поверхностная энергия интерфейса жидкость–твердое тело,
(_{LG}) — поверхностное натяжение жидкости относительно газа,
() — краевой угол смачивания.

Уравнение Юнга позволяет количественно описать баланс межфазных взаимодействий и предсказывать степень смачивания:

(< 90^) — хорошее смачивание,
(> 90^) — плохое смачивание,
(^) — полное смачивание.

Влияние химической природы поверхности

Химическая структура поверхности твёрдого тела определяет силу адсорбционных взаимодействий с жидкостью. Полярные поверхности, обладающие способностью к водородному связыванию, способствуют уменьшению краевого угла для полярных жидкостей. Неполярные поверхности, напротив, характеризуются высоким краевым углом при контакте с полярной жидкостью, что отражает низкую энергию межфазного взаимодействия.

Физическая структура и шероховатость поверхности

Шероховатость поверхности изменяет эффективное смачивание. Теории Веттинг-Викерса и Кассен-Фокс учитывают влияние микрорельефа:

[ ^* = r ]

где (^*) — наблюдаемый краевой угол на шероховатой поверхности, (r) — коэффициент увеличения площади поверхности. Шероховатость усиливает эффекты как хорошего, так и плохого смачивания, увеличивая контраст между гидрофильными и гидрофобными свойствами.

Гетерогенные поверхности

Для химически неоднородных поверхностей справедливо правило Ветта-Герша: [ _c = f_1 _1 + f_2 _2] где (f_1) и (f_2) — доли различных химических участков поверхности, (_1) и (_2) — соответствующие краевые углы. Эта зависимость позволяет прогнозировать смачивание сложных материалов, включая покрытия и композиты.

Динамика смачивания

Процесс смачивания является кинетически ограниченным. Скорость распространения жидкой пленки по поверхности зависит от вязкости жидкости (), межфазного натяжения (_{LG}) и радиуса контакта (r):

[ v f()]

где (f()) — функция, учитывающая угол смачивания и форму фронта жидкости. Для низких краевых углов процесс смачивания протекает быстро, при высоких углах — медленно.

Применение смачивания и краевых углов

Контроль краевого угла важен в материалах с особыми гидрофобными или гидрофильными свойствами, например:

в покрытий и красок для регулирования адгезии,
в микро- и наноструктурированных поверхностях для создания водоотталкивающих эффектов,
в биоматериалах для оптимизации взаимодействия с жидкими средами.

Физико-химический анализ смачивания используется для оценки чистоты поверхности, адсорбции органических веществ и модификации поверхности для катализаторов.

Экспериментальные методы определения краевого угла

Классические методы включают:

метод статических капель, при котором измеряется угол на неподвижной капле,
метод динамического смачивания, учитывающий изменение угла при распространении или оттягивании жидкости,
гравиметрические и оптические методы, включая интерферометрию для тонких пленок.

Тщательный учет влияния шероховатости, химической неоднородности и динамических эффектов позволяет получать точные данные о смачивании, критически важные для инженерных и научных приложений.