4. Смачивание

Проведенный нами анализ поведения молекул на границе раздела фаз относился к достаточно простым вариантам Т-Г, Ж-Г или к систе­мам Т-Ж, в которых обеспечивался молекулярный контакт фаз. К сожа­лению, это условие выполняется не всегда и наиболее полным вариан­том рассмотрения межфазных взаимодействий является рассмотрение трехфазных систем типа Т-Ж-Г, например, капля жидкости на твердой поверхности или пористое тело, частично пропитанное жидкостью. В таких системах сосуществуют три объемные фазы, разделенные (и связанные в то же время) поверхностными слоями, каждый из которых Рис.52.

характеризуется собственным значением  (рис.52). От этих величин и зави­сит поведение жидкости на твердой поверхности - будет ли она рас­текаться или, наоборот, собираться в капли. то зависит от баланса свободной поверхно­стной энергии на границах Т-Г (наибольшая), Т-Ж (меньше). Растекание в этом случае дол­жно приводить к уменьшению запаса энергии в системе. Но при растекании увеличивает­ся свободная энергия поверхностного слоя на границе Ж-Г. Мерой смачивания является равновесный краевой угол  между смачиваемой твердой поверхностью и касательной в точке соприкосновения трех фаз. Его отсчитывают в сторону жидкой фазы. При _ТГ - _ТЖ  _ЖГ происходит неограниченное растекание капли и   0. При _ТГ < _ЖГ происходит самопроизвольное уменьшение площади контакта и   180.

Условия смачивания выражаются законом Юнга:

Его анализ дает следующие следствия:

_ТГ_ТЖ, cos()  0,   90 - смачивание.

_ТГ<_ТЖ, cos() < 0,  > 90 - несмачивание.

_ТГ=_ТЖ, cos() = 0,  = 90 . (рис.53).

Не смачивающие смачивающие растекающиеся пары

(ртуть-стекло) (вода-стекло) (ацетон-стекло)

Рис.53.

Следует отметить,что явление смачивания про­текает во времени и равновесная вели­чина угла устанавливается не сразу. Для получения КМ с хорошими свойствами, как правило, требуется вы­бор компонентов, смачивающих друг друга. Чем больше поверхностная энергия, тем менее угла смачивания. Чем ниже вязкость жидкости, тем быстрей идет смачивание (рис.54). Например, время уста­новления  в воде (10^-3Па.с) - 5-10 с, в эпоксидной смоле (1 Па.с) - 30 мин, в расплаве полимера (10³ Па.с) -90 мин).

На величину угла смачивания оказывает влияние и характер смачиваемой поверхности, (ее шероховатость). Краевой угол смачивания на шерохо­ватой поверхности описывается уравнением Венцеля-Дерягина: cos = Kcos, где К - коэффициент шероховатости поверхности. Методы измерения угла смачивания - микроскопия или проектирование увеличенного изображения капли на экран и измерение (транспортиром). Если в контакте находятся твердая и две жидких фазы, то в этом случае также происходят аналогичные явления. Угол  в этом случае Рис.54.

отсчитывают в сторону более полярной фазы. В присутствии ПАВ, уменьшающего _ТЖ , смачивание поверхности существенно улучшается. Примерные значения для воды на поверхности обезжиренного сте­кла - 0°, целлофана - 18°, фторопласта - 104⁰, парафина - 105°.