6 л Смачивание

идущий с уменьшением поверхностной энергии.
Иммерсионное смачивание (2 фазы) и

контактное смачивание (3 фазы).

Контактное смачивание - составляет научную основу многих производственных процессов, таких как крашение, сварка, паяние металлов, типографское дело, стирка, получение лакокрасочных и других покрытий, флотация и т. д.

Равновесие на трехфазной границе

Полученное соотношение (1) называется уравнением Юнга-Лапласа.

Рис. 1. Расположение капли жидкости на лиофильной поверхности

(2)

(1)

0 – г
1 – ж
2 – т

явлений на основе уравнения Юнга.

0°< θ cosθ >0,

наблюдается явление смачивания. Поверхность считают хорошо смачиваемой и называют лиофильной. Данный случай иллюстрируется на рис. 1

2. 180°> θ >90°, –1< cosθ <0. Наблюдается явление несмачивания.
Поверхность называется лиофобной (рис. 2, а).

3. θ = 90°, cosθ = 0. Инверсия смачивания, то есть граница между лиофиль-ностью и лиофобностью (рис. 2, б).

4. θ = 0°, cosθ = 1. Полное смачивание или растекание (рис. 2, в).

5. θ = 180°, cosθ = –1. Полное несмачивание. На практике не реализуется.

а

б

в

Одни и те же жидкости по-разному смачивают различные поверхности. Например, краевой угол при нанесении воды составляет: на кварц  0° (полное смачивание), малахит  17°, графит  55°, тальк  69° (смачивание), парафин  106° (несмачивание), тефлон  108° (самое плохое смачивание).

Примером гидрофильных поверхностей могут служить оксиды, гидроксиды металлов, силикаты, карбонаты, сульфаты. Они относятся к высокоэнергетическим поверхностям. Для них удельная свободная поверхностная энергия σ > 100 мДж/м². Гидрофобную поверхность имеют металлы и сульфиды металлов, материалы из органических соединений с большим количеством углеводородных групп (парафин, стеарин, фторопласт, поливинилхлориды, полиамиды и др.) Эти поверхности считаются низкоэнергетическими. Для них σ < 100 мДж/м². Самое низкое значение σ имеет полиметакрилат (σ = 10,5 мДж/м2), на поверхности которого практически все жидкости собираются в капли.

шероховатости для твердой поверхности
Разделим (5) на (4):
(4)
(5)
(3)
(6)
Если угол θ –

тупой и сosθ < 0, то для выполнения уравнения (6) необходимо, чтобы θш > θ, то есть угол на шероховатой поверхности будет больше, чем на гладкой, а смачивание  меньшим. Это означает, что в случае несмачивания шероховатость поверхности уменьшает смачивание (увеличивает несмачивание).

Уравнение (4.6) называется уравнением Дерягина-Венцеля. Проанализируем его. Поскольку Kш > 1, то cosθш > cosθ. Это означает, что если угол θ  острый и cosθ > 0, то θш < θ, то есть угол на шероховатой поверхности будет меньше, чем на гладкой, а смачивание  большим. (шероховатость поверхности при смачивании увеличивает смачивание)

разной природы, то есть взаимодействие между молекулами в разных фазах.

Когезия (слипание) – это межмолекулярное взаимодействие внутри одной фазы между телами одной природы.

Количественными характеристиками когезии и адгезии являются работы когезии и адгезии.

Работа когезии определяется как работа, необходимая для разрыва столбика вещества, состоящего из одной фазы площадью сечения 1 м².

Работа адгезии определяется как работа разрыва столбика вещества, состоящего из двух фаз 1 и 2 площадью сечения 1 м².

Рис. 4. Схема когезионного
взаимодействия в теле

Рис. 5. Схема адгезионного
взаимодействия двух тел

(7)

(8) ур-е Дюпре

которую необходимо совершить для разрыва тела по сечению 1см2 в

обратимых и изотермических условиях.

1см2

1см2

Аког

Аког= 2σт/г

для отделения друг от друга 1см2 контактирующих разнородных фаз в

обратимых и изотермических условиях.

жидкость

твёрдое тело

твёрдое тело

жидкость

газ

σЖ/Г+ σТ/Г

σТ/Ж

Аадг

Аадг = σЖ/Г + σТ/Г – σТ/Ж

примера работу адгезии воды с тефлоном,
если θ = 108о,

cos 108о = – 0,31, σH2O=73,5 мДж/м2

Wa = 73,5(1–0,31) = 50,7 мДж/м2

(9)

(10)

Преобразуем уравнение Юнга–Дюпре:

(11)

θ = 0; cos θ = 1. Wa = Wк, то есть хорошее смачивание наступает при равенстве взаимодействия как внутри фазы, так и между ними;
θ = 90о; cos θ = 0. Wa = 0,5Wк – переход к несмачиванию наступает, когда работа адгезии составляет половину работы когезии;
θ = 180о; cos θ = –1. Wa = 0 – полное несмачивание не реализуется, так как всегда существует взаимодействие между фазами.

ПАВ.

Процесс превращения несмачиваемой поверхности в смачиваемую

называется гидрофилизацией, а обратный процесс перехода смачиваемой поверхности в несмачиваемую – гидрофобизацией.

Управление смачиванием основано на модификации (изменении) поверхности путем создания на нем адсорбционного слоя ПАВ.

Выбор условий для адсорбции и ориентация ПАВ на границе раздела твердое тело–жидкость определяется правилом Ребиндера

Для извлечения ПАВ из полярного растворителя (например, Н2О) следует применять неполярный – гидрофобный адсорбент (например, уголь).

Для извлечения ПАВ из неполярного растворителя (например, бензола), следует выбирать полярный – гидрофильный адсорбент (например, силикагель).

Рис. 6. Модификация поверхности по отношению к смачиванию

σ01=0 - периметр смачивания (равновесие)
σ02 ≥ σ12 + σ01
или

Wa ≥ Wк (16) также условие растекания

Wa – Wk = f (17) коэффициент растекания

если f > 0, то Wa > Wk – жидкость растекается; если f < 0, Wa < Wк – жидкость не растекается, чем больше f, тем лучше жидкость растекается. Выразим f через величины поверхностных натяжений:
f = Wa – Wk = σ01 + σ02 – σ12 – 2σ01;
f = σ02 – σ12 – σ01 (18)

(12) растекание

межфазное натяжение между двумя насыщенными жидкостями равно разности поверхностных натяжений их насыщенных растворов на границе с газом.

(19)

Из (18) при f → 0 следует, что

(20)

σ02 – σ12 ≥ σ01

(14)

и заменим разность из уравнения Дюпре:

Wa – σ01 ≥ σ01; Wa ≥ 2σ01;

(15)

(13) общее условие растекания.

основанный на различии в смачивании частиц различной природы.
а
б
Рис. 7.

Расположение гидрофильной (а) и гидрофобной (б) частиц
на поверхности воды

Рассчитаем работу адгезии частицы с пузырьком воздуха. Если разрыв идет в жидкость, то происходит замена поверхности Т – Г (2–0) на поверхности Т – Ж (2–1) и Ж – Г (1–0):

Подставим величину 02 из (1):

(21)

(22)

Из уравнения видно, что чем меньше COS θ, есть чем хуже смачивание, тем больше Wa

Для повышения эффективности флотации существуют ее разновидности: пенная, в которой для создания большой поверхности раздела, через суспензию пропускают воздух; масляная, в ней вместо воды используют эмульсию для лучшего прилипания частиц к пузырькам; электрофлотация, в которой флотирующими агентами являются пузырьки электролитических газов, получаемых при электролизе воды (О2 и Н2).

Повысить эффективность флотации можно также, используя специальные ПАВ, называемые коллекторами, собирателями, диспергаторами, пенообразователями и регуляторами.

Пустая порода
(смачивается)

Ценная порода
(несмачивается)