Podstawy zwilżalności

 

Zdolność cieczy do zwilżania powierzchni stałej ma szerokie znaczenie w wielu codziennych produktach i procesach przemysłowych. W życiu codziennym zwilżalność odczuwa się, gdy woskuje się samochód lub nosi kurtkę Gore-Tex w deszczowy dzień. W warunkach przemysłowych zrozumienie zwilżalności jest niezbędne do projektowania i optymalizacji procesów, takich jak powlekanie, malowanie, smarowanie, a nawet diagnostyka i leczenie medyczne.

 

Czym jest zwilżalność?

Zwilżalność jest podstawową koncepcją w nauce o powierzchniach, która opisuje zdolność cieczy do utrzymywania kontaktu z powierzchnią stałą. Zwilżalność odnosi się do stopnia, w jakim ciecz może rozprzestrzeniać się na powierzchni stałej lub do niej przylegać. Jest ona określana przez równowagę między siłami adhezji (przyciąganie między cieczą a powierzchnią stałą) a siłami spójności (przyciąganie wewnątrz cząsteczek cieczy). Gdy dominują siły adhezji, ciecz rozprzestrzenia się, co prowadzi do wysokiej zwilżalności. Z kolei gdy dominują siły spójności, ciecz ma tendencję do tworzenia kropel, co skutkuje niską zwilżalnością.

 

Co wpływa na zwilżalność?

Na zwilżalność wpływa wiele czynników. Rolę odgrywają zarówno właściwości cieczy, jak i ciała stałego.

 

Napięcie powierzchniowe cieczy: Napięcie powierzchniowe to właściwość cieczy, która powstaje w wyniku oddziaływań międzycząsteczkowych na granicy ciecz-powietrze. W przypadku wody wiązania w masie cieczy są dość silnymi wiązaniami wodorowymi, co prowadzi do wysokiego napięcia powierzchniowego w porównaniu do cieczy o słabszych siłach van der Waalsa między cząsteczkami. Wysokie napięcie powierzchniowe prowadzi do niższej zwilżalności na powierzchni ciała stałego. W formulacjach na bazie wody surfaktanty są często stosowane do rozbijania wiązań wodorowych, co prowadzi do niższego napięcia powierzchniowego, a tym samym lepszej zwilżalności.

 

 

Swobodna energia powierzchniowa ciała stałego: Swobodna energia powierzchniowa to właściwość ciała stałego i równoważna napięciu powierzchniowemu cieczy. Materiały o wysokiej energii powierzchniowej mają tendencję do większej zwilżalności. Metale i szkło mają zazwyczaj wysoką energię powierzchniową, podczas gdy tworzywa sztuczne i inne materiały niepolarne mają niską energię powierzchniową. Obróbka powierzchni, taka jak obróbka plazmowa polimeru, jest często stosowana w celu zwiększenia swobodnej energii powierzchniowej, a tym samym poprawy zwilżalności.

 

 

Chropowatość powierzchni: Chropowatość powierzchni bezpośrednio wpływa na zwilżalność powierzchni. Chropowate powierzchnie zazwyczaj zwiększają zwilżalność wynikającą ze składu chemicznego powierzchni. Na przykład, jeśli umieścisz kroplę wody na powierzchni, która jest całkowicie gładka, ale ma pewne powinowactwo do wody, dodanie chropowatości powierzchni zwiększy to powinowactwo.

 

Kąt zwilżania jest miarą zwilżalności

Najpopularniejszą metodą ilościowego określania zwilżalności jest pomiar kąta zwilżania. Kąt zwilżania to kąt utworzony między styczną do powierzchni cieczy w punkcie styku z ciałem stałym a samą powierzchnią ciała stałego. Oto, jak to działa:

 

Wysoki kąt zwilżania (>90°): Wskazuje na niską zwilżalność, co oznacza, że ​​ciecz tworzy kropelki i nie rozprzestrzenia się łatwo na powierzchni. Jest to charakterystyczne dla powierzchni hydrofobowych, gdy mierzoną cieczą jest woda.

Niski kąt zwilżania (<90°): Wskazuje na wysoką zwilżalność, co oznacza, że ​​ciecz rozprzestrzenia się na powierzchni. Jest to typowe dla powierzchni hydrofilowych, gdy woda jest używana jako ciecz pomiarowa.

Wniosek

Zwilżalność jest kluczową właściwością, która wpływa na sposób interakcji cieczy z powierzchniami stałymi. Rozumiejąc podstawy zwilżalności, w tym sposób jej pomiaru i kontroli, możemy zoptymalizować szeroki zakres procesów i zastosowań. Niezależnie od tego, czy chodzi o poprawę trwałości powłoki, zwiększenie odzysku ropy naftowej czy opracowywanie zaawansowanych urządzeń medycznych, zasady zwilżalności są integralną częścią innowacji i wydajności w wielu dziedzinach.

na podstawie tekstu Susanny Laurén