Гістерезис змочування

Раніше ми розглянули залежності рівноважного змочування рідиною поверхні ідеального недеформіруемие твердого тіла. Для таких систем немає відмінності в механізмі досягнення рівноваги – чи буде воно досягнуто при натекания рідини на поверхню або при її набряканні. Для реальних тіл з шорсткою поверхнею, на якій можливі забруднення або адсорбційні плівки, значення рівноважного кута змочування залежить від передісторії досягнення рівноваги.

У більшості випадків змочування рідиною поверхні твердого тіла крайовий кут натекания і кут набрякання рідини не рівні, причому кут натекания завжди більше. Різниця між цими кутами становить десятки, а іноді і сотні градусів. Наприклад, кут натекания краплі ртуті на сталі на 154o більше кута набрякання. Очевидно, що для практичних розрахунків необхідно знати, яким чином було виміряно кут змочування. Можна назвати, принаймні, три причини відмінності в кутах натекания і набрякання. Перша з них – неоднорідність поверхні, наприклад тканини, в результаті забруднення яких-небудь гідрофобним речовиною, наприклад маслом. У цьому випадку при змочуванні поверхні водою масляне забруднення буде розтікатися по поверхні води і знижувати її поверхневий натяг, а поверхня твердого тіла після видалення масляної плівки і отступанія краплі води буде мати більш високий поверхневий натяг. Ретельна попередня очистка поверхні твердого тіла в значній мірі виключає гістерезис змочування, особливо якщо тверде тіло нерастворимо в рідині і має гладку поверхню.

Друга причина гистерезиса – шорсткість твердого тіла, вплив якої на величину крайового кута змочування ми обговорили вище. Оскільки кути натекания частіше бувають тупими (Qн> 90o), а кути набрякання гострими (Qо < 90o), то шорсткість збільшує кут натекания і знижує кут набрякання. Зазначимо, що шорсткість повинна бути порівнянна з розміром краплі, інакше її вплив буде незначним. Практично всі поверхні шорсткі на мікроскопічному рівні, але такий вид шорсткості не робить впливу на змочування. При макроскопічної шорсткості можливо замикання бульбашок повітря і поверхню твердого тіла поводиться як складова, що різко підвищує величину кутів натікання.

Третя причина полягає в рухливості (або нерухомості) поверхні твердого тіла в макроскопічному масштабі. Якщо поверхня здатна деформуватися під дією молекулярних сил тяжіння і по периметру змочування формується валик, цей валик здатний чинити такий же вплив на кут змочування, як і шорсткість, рис. 1.27. Освіта валика відбувається під дією нескомпенсованих нормальної складової сили поверхні.

Така деформація видна неозброєним оком на свіжих набряклих полімерних плівках, наприклад на гелі желатину. При переміщенні фронту змочування відбувається зміщення хвилі поверхневої деформації. Такий фактор цілком може проявлятися і при змочуванні полімерних волокон, особливо еластичних.

Посилання на основну публікацію