Краевой угол смачивания (контактный угол)

Важным параметром, который характеризует смачивание поверхностей является угол контакта (также называют угол смачивания или краевой угол смачивания) – это угол, образованный на границе между поверхностью жидкости и твердым телом. Контактный угол является мерой смачиваемости твердого вещества жидкостью.

Форма капли и ее степень растекания на поверхности зависит от двух важных факторов – адгезии и когезии. Адгезия способствует растеканию капли, от нее зависит сцепление молекул жидкости с молекулами твердого тела, в то время как когезия препятствует растеканию за счет притяжения молекул внутри капли.

В случае полного растекания (смачивания) контактный угол составляет 0°. Поверхность является гидрофильной (смачивается) в том случае, когда значение краевого угла находится между 0° и 90°. В случае, когда значение превышает 90°, поверхность является гидрофобной (не смачивается). Ультрагидрофобные материалы с так называемым «Эффектом Лотоса» имеют контактный угол смачивания с теоретическим пределом в 180°.

Рисунок 1 - Угол смачивания на различных поверхностях

Согласно уравнению Юнга, существует взаимосвязь между углом контакта (θ), поверхностным натяжением жидкости (σ_lg), межфазным натяжением (σ_sl), между жидкостью, твердым телом и поверхностной свободной энергией:

Рисунок 2 – Краевой угол смачивания

Измерение угла смачивания с одной или несколькими жидкостями может быть использован для определения свободной энергии поверхности твердого тела.

Теоретически измерение краевого угла смачивания (измерение КУС) не кажется сложным этапом в работе, достаточно поместить каплю на поверхность и сделать фото. Но из-за неоднородности рельефа угол может принимать разное значение – это явление называется гистерезисной силой, что усложняет измерение вручную.

Существует несколько методов определения краевого угла смачивания:

• Метод лежащей капли (анализ формы капли) - угол контакта измеряется с использованием изображения неподвижной капли в точках пересечения (трехфазных контактных точках) между контуром капли и проекцией поверхности;
• Метод пластины Вильгельми - измеряется сила, действующая в направлении растяжения при вертикальном перемещении твердого тела в форме пластины в жидкости. Эта сила зависит от угла соприкосновения, а также от поверхностного натяжения и длины смачиваемой поверхности;
• Измерение угла контакта порошка с использованием метода Вашбурна - увеличение веса погруженной трубки, заполненной порошком, измеряется с течением времени. Скорость подъема столба жидкости зависит от угла соприкосновения;
• Метод отраженного света - кривизна поверхности капли, связанная с углом контакта, измеряется с использованием расстояния между световыми пятнами, которые отражаются на верхней части поверхности капли.

Метод лежащей капли (анализ формы капли) реализован в приборах для измерения краевого угла DSA, которые широко используются в лабораториях для изучения свойств поверхностей. Линейка приборов DSA в том числе позволяют измерить поверхностное и межфазное натяжение жидкостей методом висящей капли. Опционально возможно оснащать прибор модулем TVA – метод отраженного света.

Метод пластины Вильгельми и измерение контактного угла порошка реализованы в тензиометрах К100 и Tensio.

Краевой угол смачивания важен везде, где необходимо проверить или оценить интенсивность контакта между жидкими и твердыми веществами.

Более подробно про сферу применения Вы можете прочитать по ссылке: Поверхностные явления

Связаться с нами для получения консультации или заказа оборудования можно по телефонам +7 (495) 223-18-03, 8 (800) 600-18-03, почте info@tirit.org или оставив заявку на сайте.