6.5. Смачивание

Смачивание – это поверхностное явление, заключающееся во взаимодействии жидкости с твердым или другим жидким телом при наличии одновременного контакта их с воздухом.

При нанесении небольшого количества жидкости на твердое тело возможны два варианта ее поведения. В первом случае капля полностью растекается по поверхности – это полное смачивание. Пример, капля воды на обезжиренном стекле.

Во втором случае нанесенная жидкость остается на поверхности в виде капли, принявшей определенную форму (рис. 6.9). Положение капли жидкости на твердой поверхности определяется значениями поверхностных натяжений на границе раздела следующих фаз: жидкость – газ (σ_жг), твердое тело – жидкость (σ_тж), твердое тело – газ (σ_тг). Равновесие капли определяется одновременным воздействием этих трех поверхностных натяжений, которые показаны в виде трех векторов (рис. 6.9). Поверхностные натяжения направлены по касательной к соответствующей поверхности из точки контакта трех фаз. Два из них, а именно σ_тж, σ_тг действуют на поверхности твердого тела в противоположных направлениях. Поверхностное натяжение на границе жидкость – газ направлено по касательной к поверхности жидкости. Количественной характеристикой или мерой смачивания является краевой угол Θ или угол смачивания.

Рис. 6.9. Положение капли воды: а – на гидрофильной поверхности; б - на гидрофобной поверхности

Краевой угол (Θ) – это угол, который образует капля с поверхностью твердого тела со стороны жидкости, т. е. это угол между твердой поверхностью и касательной в точке соприкосновения фаз (угол определяют со стороны жидкости).

Величина краевого угла определяется по уравнению Юнга:

(6.22)

Чем меньше угол Θ и соответственно больше cos Θ, тем лучше смачивание. При остром угле Θ, т. е. при cos Θ > 0, поверхность считают хорошо смачиваемой данной жидкостью. Если же угол Θ тупой, т. е. cos Θ < 0, то по отношению к данной жидкости поверхность смачивается плохо (часто говорят «не смачивается») (рис.6.9). Таким образом, границей между смачиваемостью и несмачиваемостью является угол Θ = 90° или cos Θ = 0.

Разные жидкости по-разному смачивают одну и ту же поверхность. Согласно приближенному правилу лучше смачивает поверхность та жидкость, которая ближе по полярности к смачиваемому веществу и имеет меньшее поверхностное натяжение. По отношению к воде поверхности делятся на гидрофильные (смачиваются) и гидрофобные (не смачиваются). Для жидкостей вообще приставка «гидро-» заменяется на «лио-».

Практически несмачиваемые водой материалы типа воска, парафина, фторопласта в обычных условиях имеют краевой угол порядка 120 – 130°. Полное смачивание для воды наблюдается на поверхности с кварцем (Θ = 0°). Вода смачивает графит (Θ = 55 – 60°), тальк (Θ = 69°), серу (Θ = 78°). Плохо смачивает полиэтилен (Θ = 92 –95°).