Реферат: Смачивание, смачивающие агенты, гидрофобизация, гидрофобизирующие агенты
На рис. 11 приведена структура стекла, поверхность которого гидрофобизирована дихлордиметилсиланом. Дихлордиметилсилан, как и другие силаны, является эффективным гидрофобизатором для поверхностей минералов, содержащих силанольные группы. Как и в случае силиконов, обработка поверхности силанами приводит к ее эффективному метилированию.
Рис. 10. Полидиметилсилоксан — типичный гидрофобизирующий агент
Рис. 11. Поверхность стекла или кремнезема, обработанная дихлордиметилсиланом
Поскольку волокна бумаги и текстиля заряжены отрицательно, для придания им водоотталкивающих свойств обычно используют катионные ПАВ. При этом ПАВ обеспечивают также эффект ослабления связей, заключающийся в значительном понижении притяжения между волокнами. Четвертичные аммониевые соединения с двумя углеводородными цепями С16-С18 и двумя метальными заместителями у атома азота наиболее часто применяются для мягчения текстиля. Однако в целях защиты окружающей среды ПАВ должны обладать высокими скоростями биоразложения, поэтому традиционные устойчивые к гидролизу диалкильные четвертичные аммониевые соединения в значительной степени заменены на сложноэфирные производные аналогичной структуры. Структуры ПАВ обоих типов были приведены на рис. 1.10.
Можно ожидать, что для гидрофобизации поверхности требуется создать на ней плотноупакованный слой гидрофобизирующего агента, обеспечивающий полное покрытие поверхности. Однако недавно проведенные исследования механизма гидрофобизации показали, что достаточно частичного покрытия поверхности гидрофобизирующим агентом для обеспечения несмачивания ее водой. Вода не будет растекаться по поверхности, частично покрытой гидрофобными доменами. Во многих случаях оказывается, что для обеспечения этого эффекта достаточно модифицировать 10-15% поверхности. В этом, по-видимому, заключается причина того, что гидрофобизирующие агенты оказываются эффективными уже в минимальных количествах.
Измерение краевых углов
Краевой угол капли жидкости на плоской поверхности твердого тела обычно измеряют гониометрически либо на капле, находящейся на горизонтальной плоскости, либо на газовом пузырьке, подведенном к межфазной границе твердое тело-жидкость.
Краевой угол контакта отсчитывается с помощью объектива микроскопа при прямом наблюдении угла. В результате действия гравитационных сил форма сравнительно крупных капель отличается от строго сферической, что используется в одном из методов измерения поверхностного натяжения.
Измерения краевых углов методом сидящей капли или адгезированного пузырька в настоящее время автоматизированы и компьютеризированы, что позволяет определять значения краевых углов с высокой воспроизводимостью. Современные быстродействующие компьютеризированные приборы позволяют определять краевые углы на проницаемых подложках. Использование приборов, регистрирующих данные со скоростью нескольких сотен в секунду, позволяет измерять эффективный краевой угол капли на бумаге с большой абсорбционной способностью как функцию времени. При экстраполяции кинетических зависимостей к нулевому времени можно определить краевой угол бумаги до начала всасывания капли. В этом состоит полезный способ определения влияния на свободную поверхностную энергию различных добавок, используемых в производстве бумаги. Пример подобного эксперимента приведен на рис. 13.
Рис. 12. Измерение краевого угла с использованием сидящей капли или адгезированного пузырька
Очень простой метод измерения контактных углов, пригодный для скрининга, состоит в измерении диаметра капли стандартного объема, нанесенной на поверхность. Краевой угол рассчитывается из следующего уравнения:
где V— известный объем капли, а — измеряемый радиус капли. Таблица корреляций значений со значениями 2а дана в литературе для капель объемом 10 мкл 171-179). При определении краевых углов важно проводить измерения сразу после нанесения капли на поверхность. Испарение воды приводит к сжатию капли и изменению краевого угла.
Косвенный метод определения краевого угла состоит в измерении капиллярного поднятия жидкости у вертикально расположенной пластинки. Твердую пластинку располагают вертикально и приводят в контакт с жидкостью, затем измеряют высоту мениска h. Краевой угол рассчитывают по уравнению
где P— разность плотностей водной и газовой фаз, h— высота поднятия мениска. Метод оказался особенно эффективным для измерений краевых углов в зависимости от скорости продвижения и отступления мениска, а также для изучения влияния температуры на краевые углы.
Рис. 13. Зависимость краевого угла от времени для четырех различных материалов с примерно одинаковой свободной поверхностной энергией, но различающихся по транспортным свойствам
Рис. 14. Метод капиллярного поднятия используется для измерения краевого угла
Измерение краевых углов — это не очень простая процедура, как это может показаться на первый взгляд. Независимо от метода измерения могут возникать следующие осложнения.
1. Только немногие поверхности твердых тел можно считать достаточно плоскими. Углы, которые образует межфазная поверхность флюид-флюид с твердой поверхностью в отдельных точках твердой поверхности, напрямую зависят от ее макроскопической геометрии. Шероховатости поверхности, размер которых влияет на измерения краевых углов, можно наблюдать с помощью сканирующей электронной микроскопии.
2. Включение низкоэнергетических доменов в высокоэнергетические поверхности сильно влияет на краевой угол. Таким примером могут служить жировые загрязнения на поверхности стекла.
3. Для измерения точных значений краевых углов контактирующие фазы должны находиться в равновесии, что выполняется не всегда по следующим причинам:
- впитывание жидкости в приповерхностную зону твердого тела;
- переориентация поверхностных групп твердого тела, в частности полярных групп при контакте с водой.
На практике условия, при которых измеряются краевые углы, далеки от идеальных. В большинстве случаев наблюдаемые контактные углы сильно зависят от того, наступает ли жидкость на сухую поверхность или отступает от смоченной поверхности. В этом случае наблюдается гистерезис краевого угла. Гистерезис краевого угла всегда весьма значителен при смачивании шероховатых или загрязненных поверхностей.