Łatwa tensjometria z Attension: 2025

czwartek, 2 stycznia 2025

Zwiększone wydobycie ropy (EOR): porównanie metod pomiaru zwilżalności złóż ropy naftowej

Istnieją trzy powszechnie stosowane techniki pomiaru zwilżalności w charakterystyce złóż ropy naftowej: pomiar kąta zwilżania, metoda Amotta-Harveya oraz metoda USBM. Techniki te zostały już omówione w naszym wcześniejszym wpisie na blogu, dlatego tutaj skupimy się na ich porównaniu.

Zwilżalność powierzchni a średnia zwilżalność rdzenia

Podstawowa różnica polega na tym, że pomiar kąta zwilżania określa zwilżalność powierzchni próbki, natomiast metody Amotta-Harveya i USBM dostarczają informacji o średniej zwilżalności całego rdzenia skalnego. Pomiar kąta zwilżania daje wartość kąta bezpośrednio związaną ze zwilżalnością powierzchni rdzenia. Metody Amotta-Harveya oraz USBM wyznaczają natomiast wskaźniki zwilżalności.

Czas pomiaru

Choć czas pomiaru nie zawsze jest czynnikiem krytycznym, w niektórych przypadkach ma istotne znaczenie. Szczególnie w badaniach przesiewowych surfaktantów pomiary kąta zwilżania są bardzo użyteczne, ponieważ można je wykonać w stosunkowo krótkim czasie.

Metoda Amotta-Harveya jest najbardziej czasochłonna z trzech omawianych, ponieważ częściowo opiera się na spontanicznej imbibicji cieczy do rdzenia. Etap ten trwa zazwyczaj co najmniej 10 dni. Metoda USBM jest szybsza, ponieważ nie obejmuje spontanicznej imbibicji – cały pomiar prowadzony jest w warunkach wymuszonej imbibicji z użyciem wirówki.

Pomiary w warunkach złożowych

Podczas badań metod zwiększonego wydobycia ropy pomiary zwilżalności powinny być wykonywane w warunkach złożowych. Właściwości międzyfazowe zależą od warunków otoczenia, a tym samym wpływają na zwilżalność.

Zwilżalność może być badana metodą kąta zwilżania, ponieważ dostępna aparatura umożliwia prowadzenie pomiarów w wysokich temperaturach, a nawet pod ciśnieniem. W przypadku metod Amotta-Harveya i USBM nie istnieją obecnie na rynku urządzenia umożliwiające prowadzenie pomiarów w warunkach złożowych.

Ograniczenia wynikające z typu złoża

Rodzaj złoża może stanowić istotne wyzwanie dla pomiarów zwilżalności. Pomiary kąta zwilżania wykonywane są na powierzchni próbki, co sprawia, że metoda ta może być stosowana praktycznie do wszystkich typów rdzeni złożowych. Metoda Amotta-Harveya nie jest natomiast odpowiednia dla łupków oraz innych złóż o bardzo niskiej przepuszczalności, ponieważ spontaniczna imbibicja w takich materiałach nie zachodzi. Chociaż metoda USBM opiera się na imbibicji wymuszonej, to siły odśrodkowe wymagane do badań bardzo ciasnych (tight) złóż są zbyt wysokie dla większości dostępnych wirówek.

Dlaczego zwilżalność jest ważna w metodach zwiększania wydobycia ropy (EOR)?

Zwilżalność to zdolność cieczy do rozpływania się po powierzchni ciała stałego. W metodach zwiększania wydobycia ropy (Enhanced Oil Recovery, EOR) zwilżalność odgrywa kluczową rolę, ponieważ determinuje oddziaływania pomiędzy ciałem stałym (skałą zbiornikową) a cieczami obecnymi w złożu (ropa naftowa, solanka). Zwilżalność jest uznawana za jeden z najważniejszych parametrów kontrolujących ilość ropy pozostającej w złożu.

Złoża charakteryzują się określoną zwilżalnością

Skały zbiornikowe można sklasyfikować jako:

wodozwilżalne,
mieszanie zwilżalne,
ropozwilżalne.

W przypadku skały wodozwilżalnej woda ma preferencyjny kontakt z minerałem, a ropa znajduje się jako faza otaczająca. Skała jest określana jako ropozwilżalna, gdy to ropa znajduje się w bezpośrednim kontakcie z powierzchnią skały. Stan pośredni nazywany jest zwilżalnością pośrednią lub mieszaną.

Do oceny zwilżalności stosuje się pomiary kąta zwilżania, na podstawie których można zdefiniować zakresy kątów odpowiadające poszczególnym stanom zwilżalności.

Zmiana zwilżalności z ropozwilżalnej na wodozwilżalną

Modyfikacja zwilżalności jest skutecznym podejściem w metodach EOR. Celem zmiany zwilżalności jest przesunięcie stanu zwilżania skały w kierunku bardziej wodozwilżalnego. Na zwilżalność wpływa wiele czynników, w tym skład ropy, solanki i skały, a także ciśnienie oraz temperatura.

Metody modyfikacji zwilżalności

Zastosowano różne podejścia do regulacji zwilżalności złóż. W przypadku zbiorników węglanowych, które często są ropozwilżalne, główne metody obejmują:

zatłaczanie CO₂,
zatłaczanie chemiczne, np. z użyciem polimerów.

Alternatywne metody są stale rozwijane, co wynika z rosnącego znaczenia złóż węglanowych jako przyszłego źródła ropy naftowej.

Zwilżalność baterii litowo-jonowych

Zwilżalność baterii litowo-jonowych

Baterie litowo-jonowe są podstawową technologią magazynowania energii w urządzeniach mobilnych, takich jak smartfony i laptopy. Niedawny wzrost zapotrzebowania na pojazdy hybrydowe typu plug-in oraz samochody elektryczne zapoczątkował dyskusję, czy technologia baterii litowo-jonowych będzie kiedykolwiek wystarczająco dobra, aby umożliwić pełną elektryfikację rynku masowego.

Struktura baterii litowo-jonowej

Bateria litowo-jonowa składa się z porowatych elektrod dodatniej i ujemnej, które są wypełnione roztworem elektrolitu i oddzielone separatorem. Elektroda dodatnia – katoda – jest zazwyczaj wykonana z tlenku kobaltu litu (LiCoO₂) lub tlenku manganu litu (LiMn₂O₄). Elektroda ujemna – anoda – jest tradycyjnie wytwarzana z grafitu lub innych materiałów węglowych. Elektrolit stanowi zwykle sól litu rozpuszczona w rozpuszczalniku organicznym; często stosuje się także elektrolity polimerowe. Elektrolit umożliwia transport wyłącznie jonów litu pomiędzy anodą a katodą. Separator jest fizyczną barierą oddzielającą anodę od katody. Podczas gdy katoda i anoda decydują o wydajności baterii, elektrolit i separator odpowiadają przede wszystkim za jej bezpieczeństwo.

Zwilżalność elektrod

Zwilżalność poszczególnych elementów baterii litowo-jonowych stała się jednym z kluczowych zagadnień zarówno z punktu widzenia procesu produkcji, jak i wydajności oraz bezpieczeństwa baterii.

Zwilżalność materiału elektrodowego

Zwilżalność materiału elektrodowego przez roztwór elektrolitu jest jednym z głównych wyzwań w rozwoju wysokowydajnych baterii litowo-jonowych. Przejście od małych baterii do zastosowań wielkoskalowych, takich jak pojazdy elektryczne, stawia istotne wyzwania przed produkcją. Jednym z kluczowych etapów wytwarzania jest wprowadzenie elektrolitu do porowatej elektrody za pomocą precyzyjnej pompy. Na tym etapie elektrolit powinien przeniknąć i wypełnić pory elektrody. Proces ten nazywany jest procesem zwilżania i – ze względu na słabą zwilżalność elektrody, długie drogi dyfuzji oraz utrudnioną dyfuzję spowodowaną obecnością uwięzionych w porach gazów – może trwać nawet kilka dni w podwyższonej temperaturze. Tak długi proces wydłuża czas produkcji i jednocześnie zwiększa jej koszty.

Ponadto niewystarczające zwilżenie porowatych elektrod przez elektrolit prowadzi do nieregularnych reakcji elektrochemicznych oraz niestabilnego formowania się warstwy stałego elektrolitu (SEI). Skutkuje to pogorszeniem parametrów ogniwa i skróceniem jego żywotności cyklicznej. Niepełne zwilżenie sprzyja także powstawaniu dendrytów metalicznego litu, co stanowi poważne zagrożenie dla bezpieczeństwa. Niezawilżony materiał aktywny prowadzi również do niewykorzystania pełnej pojemności elektrody oraz wzrostu jej oporu.

Zwilżalność separatora

Separator jest kluczowym elementem baterii, ponieważ znajduje się pomiędzy elektrodą dodatnią i ujemną. Zapobiega on zwarciu baterii poprzez fizyczne oddzielenie elektrod, jednocześnie umożliwiając przepływ jonów litu. Choć separator bywał uznawany za element bierny, jego właściwości mają fundamentalne znaczenie dla wydajności i bezpieczeństwa baterii.

Separator jest porowatą membraną umieszczoną pomiędzy elektrodami o przeciwnych polaryzacjach. Na przestrzeni lat stosowano różne materiały separatorów, jednak obecnie komercyjne separatory są najczęściej wytwarzane z poliolefin, takich jak polietylen lub polipropylen.

Zwilżalność separatora przez elektrolit jest krytyczną cechą, ponieważ adsorpcja elektrolitu jest niezbędna do transportu jonowego. Polimerowe materiały separatorów są z natury hydrofobowe i wykazują niewystarczającą zwilżalność wobec konwencjonalnych elektrolitów organicznych. W celu zwiększenia zwilżalności separatorów rozważano różne podejścia, w tym stosowanie powłok (np. metodą elektroprzędzenia lub osadzania warstw atomowych – ALD) oraz wytwarzanie separatorów kompozytowych.

Na podstwie tekstu Susanny Lauren

Wpływ chropowatości powierzchni na zwilżalność papieru i tektury

Czy wiesz, że chropowatość powierzchni wpływa na zwilżalność papieru i tektury? Ze względu na swoją włóknistą strukturę powierzchnie papieru i tektury niemal zawsze charakteryzują się pewnym stopniem chropowatości. Ta chropowatość w sposób naturalny oddziałuje na zwilżalność, ponieważ wzmacnia efekt zwilżania wynikający z chemii powierzchni. W przypadku powierzchni hydrofilowych zwiększona chropowatość powoduje jeszcze większą hydrofilowość, natomiast dla powierzchni hydrofobowych efekt ten jest odwrotny – chropowatość potęguje hydrofobowość.

Zwilżalność zawsze składa się zatem z dwóch komponentów: zwilżalności wynikającej z chemii powierzchni oraz zwilżalności wynikającej z chropowatości powierzchni. Wiele metod powlekania i obróbki wpływa jednocześnie zarówno na chemię powierzchni, jak i na jej chropowatość, co sprawia, że ocena skuteczności powłoki staje się złożona. Aby w pełni przeanalizować wpływ powlekania, konieczne jest wykonanie pomiarów zarówno zwilżalności, jak i chropowatości w tym samym miejscu próbki, a następnie połączenie uzyskanych wyników w celu rozdzielenia wpływu chropowatości od wpływu chemii powierzchni na zwilżalność.

Na podstawie tekstu Anny Oom

Zwilżalność elektrod – kalandrowanie elektrod w bateriach litowo-jonowych

Zwilżalność elektrod – kalandrowanie elektrod w bateriach litowo-jonowych

Kalandrowanie jest powszechnie stosowanym procesem zagęszczania elektrod w bateriach litowo-jonowych. Celem kalandrowania jest zmniejszenie porowatości elektrody, co poprawia kontakt pomiędzy cząstkami, a tym samym zwiększa gęstość energii baterii. Proces ten znacząco wpływa na strukturę porów, a w konsekwencji również na zwilżalność elektrody.

Zwilżalność materiału elektrodowego

Zwilżalność materiału elektrodowego przez roztwór elektrolitu stanowi jedno z kluczowych wyzwań w rozwoju wysokowydajnych baterii litowo-jonowych. Niewystarczające zwilżenie porowatych elektrod przez elektrolit prowadzi do nierównomiernego przebiegu reakcji elektrochemicznych oraz do niestabilnego tworzenia się warstwy stałego elektrolitu (SEI – solid electrolyte interphase). Może to skutkować pogorszeniem parametrów ogniwa oraz skróceniem jego żywotności cyklicznej. Ponadto niepełne zwilżenie sprzyja powstawaniu dendrytów litu metalicznego, co stanowi poważne zagrożenie dla bezpieczeństwa. Niezawilżony materiał aktywny prowadzi również do niepełnego wykorzystania pojemności elektrody oraz wzrostu jej oporu.

Wyznaczanie szybkości zwilżania za pomocą tensjometru siłowego

Zwilżanie elektrody przez elektrolit można badać poprzez pomiar szybkości zwilżania przy użyciu tensjometru siłowego. Pomiar opiera się na tzw. metodzie Washburna, w której porowata próbka jest zanurzana w cieczy, a bardzo czuła waga rejestruje przyrost masy w funkcji czasu w wyniku wnikania cieczy w pory próbki.

Metoda ta została wykorzystana do określenia wpływu kalandrowania na zwilżalność elektrod w bateriach litowo-jonowych. Mierzono pochłanianie elektrolitu przez folie elektrodowe o różnej grubości, wynikającej z procesu kalandrowania, rejestrując przyrost masy w funkcji czasu.

Wykazano, że umiarkowane kalandrowanie poprawia zwilżalność materiału elektrodowego dzięki lepszemu ułożeniu cząstek oraz zwiększeniu rozgałęzienia sieci porów. Jeżeli jednak kalandrowanie zostanie przeprowadzone powyżej poziomu optymalnego, zwilżalność elektrody ulega pogorszeniu, ponieważ średnica porów zmniejsza się, a całkowita porowatość elektrody zostaje zredukowana.

Wpływ kalandrowania na chropowatość powierzchni

Proces kalandrowania zmienia strukturę powierzchni elektrody. Chropowatość powierzchni ma wyraźny wpływ na zwilżalność, ponieważ wzmacnia efekt wynikający z chemii powierzchni. Jeżeli powierzchnia jest chemicznie hydrofilowa, zwiększona chropowatość sprawia, że staje się ona jeszcze bardziej hydrofilowa. Z tego względu jednoczesny pomiar chropowatości powierzchni oraz kąta zwilżania dostarcza pełniejszej wiedzy na temat właściwości zwilżania elektrody.

Zwilżalność w powlekaniu tabletek

Zwilżalność odgrywa kluczową rolę w powlekaniu tabletek

Zwilżalność odgrywa kluczową rolę w wielu procesach przemysłowych, w których zachodzi kontakt cieczy z ciałem stałym. Dotyczy to również przemysłu farmaceutycznego, gdzie zwilżalność ma fundamentalne znaczenie na różnych etapach procesu – od wytwarzania stałych postaci leku, aż po ich dezintegrację i rozpuszczanie. Tabletki są najpopularniejszą postacią leku ze względu na liczne zalety, jakie oferują. Z punktu widzenia produkcji nadają się do wytwarzania na dużą skalę, a koszty ich produkcji mogą być relatywnie niskie. Dla pacjentów tabletki są wygodne w stosowaniu i łatwe w obsłudze. Powlekanie tabletek stosuje się w celu poprawy ich wyglądu, maskowania smaku i zapachu oraz kontroli szybkości uwalniania substancji czynnej. Zwilżalność odgrywa w tym procesie kluczową rolę.

Znaczenie zwilżalności dla adhezji powłoki

Adhezja powłoki filmowej do powierzchni tabletki ma istotne znaczenie, ponieważ warstwa powlekająca często pełni również ważną funkcję w procesie uwalniania leku. Niejednorodna powłoka może prowadzić do przedwczesnego uwalniania substancji czynnej. Sposób rozprowadzania formulacji powlekającej na powierzchni tabletki oraz siła wiązania są determinowane przez właściwości powierzchniowe podłoża. Aby zapewnić prawidłowe wiązanie, należy ocenić chropowatość powierzchni oraz jej hydrofobowość.

Modyfikacja napięcia powierzchniowego powłoki za pomocą surfaktantów

Napięcie powierzchniowe formulacji powlekających, w połączeniu z właściwościami podłoża, decyduje o sposobie ich rozpływania się i adhezji do powierzchni tabletki. W szczególności w przypadku wodnych formulacji powlekających napięcie powierzchniowe jest zazwyczaj zbyt wysokie, aby umożliwić dobre rozpływanie. Z kolei zbyt niskie napięcie powierzchniowe może zaburzać proces poziomowania powłoki, prowadząc do powstawania powierzchni typu „skórka pomarańczy”. Napięcie powierzchniowe można modyfikować poprzez dodatek surfaktantów. Do powszechnie stosowanych surfaktantów w przemyśle farmaceutycznym należą między innymi Spany i Tweeny.

Dlaczego warto zastąpić pisaki dyne / pisaki napięcia powierzchniowego pomiarem kąta zwilżania?

Zrozumienie sposobu, w jaki ciecze oddziałują z powierzchniami stałymi — czyli zwilżalności powierzchni — ma kluczowe znaczenie w wielu branżach, takich jak elektronika, powłoki, wyroby medyczne czy opakowania. Dwiema najczęściej stosowanymi metodami oceny zwilżalności i energii powierzchniowej są pomiar kąta zwilżania oraz testy pisakami dyne (pisakami napięcia powierzchniowego). Jak te metody wypadają w porównaniu i dlaczego warto zastąpić pisaki dyne pomiarem kąta zwilżania?

Porównanie technik

Pomiar kąta zwilżania

Pomiar kąta zwilżania jest ilościową metodą, która określa kąt, jaki tworzy kropla cieczy na granicy z powierzchnią stałą. Kąt ten bezpośrednio odzwierciedla stopień zwilżalności:

Niski kąt zwilżania = wysoka zwilżalność (ciecz rozpływa się po powierzchni)
Wysoki kąt zwilżania = niska zwilżalność (ciecz tworzy kroplę)

Pomiary są zazwyczaj wykonywane przy użyciu tensjometru optycznego, który zapewnia wysoką dokładność i powtarzalność wyników. Pomiar kąta zwilżania może obejmować kąty statyczne, kąty natarcia i cofania, dostarczając szczegółowych informacji o właściwościach powierzchni.

Pisaki dyne / pisaki napięcia powierzchniowego

Pisaki dyne (pisaki napięcia powierzchniowego) to szybka i prosta jakościowa metoda szacowania energii powierzchniowej materiałów, szczególnie tworzyw sztucznych i folii. Są to markery z filcową końcówką, wypełnione cieczami o znanym napięciu powierzchniowym (wyrażanym w dynach/cm).

Podczas testu rysuje się linię na badanej powierzchni i obserwuje zachowanie cieczy:

jeśli ciecz rozpływa się i pozostaje ciągła przez co najmniej 2 sekundy, energia powierzchniowa powierzchni jest wyższa niż wartość pisaka,
jeśli ciecz zbiera się w krople lub linia się rozpada, energia powierzchniowa jest niższa niż wartość pisaka.

Choć pisaki dyne / pisaki napięcia powierzchniowego umożliwiają szybki test, uzyskiwane wyniki są subiektywne, zależne od operatora i wyłącznie jakościowe. Dodatkowo nie ma możliwości zapisu wyników do celów kontroli jakości, a zastosowanie tej metody jest ograniczone do określonych typów powierzchni.

Dlaczego pomiar kąta zwilżania jest lepszą alternatywą?

Pomiar kąta zwilżania pozwala na ilościową i obiektywną ocenę powierzchni. Jest wykonywany automatycznie przy użyciu tensjometru optycznego, co eliminuje wpływ operatora na wynik. Uzyskane dane mogą być łatwo zapisywane, archiwizowane i wykorzystywane w procedurach kontroli jakości.

Metoda ta nadaje się do szerokiego zakresu materiałów — od bardzo hydrofilowych po silnie hydrofobowe — oraz umożliwia analizę dynamicznych efektów zwilżania.

Porównanie metod

Cecha	Pomiar kąta zwilżania	Pisaki dyne / pisaki napięcia powierzchniowego
Rodzaj danych	Ilościowe (kąt, energia powierzchniowa)	Jakościowe / progowe
Precyzja	Wysoka	Niska
Zakres powierzchni	Szeroki (metale, szkło, polimery)	Głównie gładkie, nieporowate
Zależność od operatora	Niska (automatyzacja)	Wysoka (subiektywność)
Szybkość	Umiarkowana (sekundy–minuty)	Bardzo szybka (sekundy)
Koszty eksploatacji	Jednorazowy koszt aparatu	Koszt regularnej wymiany pisaków
Informacje zaawansowane	Tak (histereza, dynamika, niejednorodność)	Nie

Jak zastąpić pisaki dyne pomiarem kąta zwilżania?

Najczęściej stosowanym podejściem przy zastępowaniu pisaków dyne / pisaków napięcia powierzchniowego jest pomiar kąta zwilżania wody. Sam kąt zwilżania wody może służyć do oszacowania swobodnej energii powierzchniowej (SFE):

Niski kąt zwilżania wody = wysoka energia powierzchniowa
Wysoki kąt zwilżania wody = niska energia powierzchniowa

Możliwe jest również przygotowanie krzywej kalibracyjnej, która pozwala powiązać konkretną wartość kąta zwilżania z wymaganymi parametrami powierzchni. Jeżeli konieczne jest dokładne wyznaczenie energii powierzchniowej, można je łatwo przeprowadzić przy użyciu tego samego tensjometru optycznego, stosując odpowiednie modele obliczeniowe.

Podsumowanie

Zarówno pomiar kąta zwilżania, jak i testy pisakami dyne / pisakami napięcia powierzchniowego mają swoje miejsce w badaniach powierzchni i kontroli jakości. Wybór metody zależy od wymaganej precyzji, szybkości oraz kontekstu zastosowania. Jednak w przypadku aplikacji wymagających wysokiej dokładności, powtarzalności i pełnej dokumentacji wyników, pomiar kąta zwilżania pozostaje złotym standardem, zapewniającym znacznie więcej informacji niż metody jakościowe.

na podstawie tekstu Susanny Lauren

Jak wykorzystać kąty zwilżania w charakterystyce powierzchni: Postępujący kąt zwilżania

W poprzednich wpisach na temat różnych kątów zwilżania omówiliśmy już statyczne i skorygowane pod względem chropowatości kąty zwilżania. Oba są często używane do obliczania swobodnej energii powierzchni ciała stałego. Jednak podczas gdy skorygowany pod względem chropowatości kąt zwilżania można uznać za nieco bliższy wartościom równowagi, statyczny kąt zwilżania nie może być zazwyczaj uważany za najbardziej stabilny kąt zwilżania na danej powierzchni. Z tego powodu pojawiło się wiele krytyki wobec pomiarów statycznego kąta zwilżania, a zamiast tego zdecydowanie zaleca się pomiar zarówno postępującego, jak i cofającego się kąta zwilżania. W tym wpisie omawiamy pomiar i wykorzystanie postępującego kąta zwilżania, podczas gdy cofający się kąt zwilżania jest tematem następnego wpisu na blogu.

Czym jest postępujący kąt zwilżania?

Postępujący kąt zwilżania to najwyższy możliwy kąt zwilżania mierzony na wcześniej niezwilżonej powierzchni ciała stałego.

Postępujące kąty zwilżania są mierzone, gdy czoło cieczy przesuwa się nad mierzoną powierzchnią. Można to zrobić na różne sposoby za pomocą tensjometru optycznego, np. przechylając próbkę lub zwiększając objętość kropli, jednocześnie rejestrując wartości kąta zwilżania. Kąty zwilżania postępowego są również mierzone za pomocą tensjometrów siłowych metodą płytki Wilhelmy'ego, zanurzając próbkę w cieczy i mierząc siłę za pomocą niezwykle czułej wagi. Metoda Washburna, która jest stosowana głównie do proszków, również mierzy kąt zwilżania postępowego.

Kąt zwilżania postępowego przewiduje niepolarną naturę ciała stałego

Na chemicznie heterogenicznej powierzchni kąt zwilżania postępowego jest bardziej wrażliwy na składniki o niskiej energii, tj. niepolarne części powierzchni. Jeśli kąt zwilżania postępowego wody jest mierzony na powierzchni głównie hydrofobowej, hydrofilowe inkluzje z powierzchni nie wpłyną na wartość kąta zwilżania postępowego, dopóki nie pokryją znacznej części hydrofobowej powierzchni. Na powierzchni hydrofilowej kąt zwilżania postępowego wody szybko wzrasta do wysokiej wartości, nawet jeśli powierzchnia jest tylko nieznacznie pokryta inkluzjami hydrofobowymi. Wartość ta nie ulega również znacznemu pogorszeniu nawet przy wzrastającej frakcji składników hydrofobowych.

Postępujący kąt zwilżania napędza podnoszenie kapilarne i inne zjawiska

Pomiar postępu jest często zalecany, ponieważ zapewnia bardziej powtarzalne kąty zwilżania w porównaniu do wartości statycznych (i ustępujących). Postępujący kąt zwilżania jest zazwyczaj bliższy wartości równowagi niż ustępujący, ale nadal nie można go używać jako wartości równoważnej. Istnieją jednak sytuacje, w których postępujący kąt zwilżania opisuje problem lepiej niż inne kąty zwilżania. Na przykład podnoszenie kapilarne jest napędzane przez postępujący kąt zwilżania. Podnoszenie kapilarne jest ważnym zjawiskiem w mikroprzepływach i odgrywa również rolę w zwilżalności proszków. Postępujący kąt zwilżania jest również ważniejszy w zastosowaniach, w których istotne są zjawiska rozprzestrzeniania, takie jak drukowanie atramentowe, powlekanie natryskowe i osadzanie pestycydów.

na podstawie tekstu Susanny Laurén

Optymalizacja adhezji fotorezystu poprzez pomiar kąta zwilżania

W produkcji półprzewodników adhezja materiałów fotorezystowych do podłoża jest czynnikiem krytycznym, który może znacząco wpływać na jakość oraz uzysk końcowego produktu. Zrozumienie i optymalizacja tego zjawiska prowadzą do lepszej wydajności procesów oraz mniejszej liczby defektów w urządzeniach mikroelektronicznych. W niniejszym artykule omówiono, w jaki sposób pomiary kąta zwilżania mogą być wykorzystane do optymalizacji adhezji fotorezystu.

Znaczenie czyszczenia podłoża

Zanim przejdziemy do pomiarów kąta zwilżania, należy podkreślić rolę czyszczenia i przygotowania (primingu) podłoża w procesie adhezji fotorezystu. Prawidłowe przygotowanie powierzchni obejmuje usunięcie zanieczyszczeń chemicznych i cząstek stałych, desorpcję wody oraz zastosowanie promotorów adhezji. Kroki te zapewniają czystą i odpowiednio przygotowaną powierzchnię podłoża, co jest kluczowe dla uzyskania optymalnej przyczepności warstwy rezystu.

Najczęściej stosowaną metodą zapewnienia odpowiedniej jakości powierzchni jest czyszczenie RCA oraz priming HMDS płytek krzemowych.

Rola pomiarów kąta zwilżania

Pomiary kąta zwilżania stanowią ilościową metodę oceny zwilżalności podłoża, która jest bezpośrednio związana z jakością adhezji. Mniejszy kąt zwilżania oznacza lepsze zwilżanie powierzchni, a tym samym lepszą adhezję fotorezystu. Metoda ta może być wykorzystywana do optymalizacji etapów wstępnej obróbki podłoża oraz aplikacji promotorów adhezji, takich jak HMDS.

Optymalizacja adhezji z wykorzystaniem kąta zwilżania

Zwilżalność jest warunkiem koniecznym dobrej adhezji. Wykazano, że zwilżanie i adhezja są optymalne, gdy polarność podłoża i materiału zwilżającego są zbliżone. W praktyce, w zastosowaniach półprzewodnikowych, oba te parametry są w dużej mierze stałe: podłożem jest krzem (lub inny materiał półprzewodnikowy), a cieczą zwilżającą jest fotorezyst oraz — po ekspozycji — wywoływacz.

Przy rozpatrywaniu adhezji fotorezystu do podłoża krytyczny moment przypada na etap wywoływania i płukania, ponieważ to wtedy adhezja jest poddawana największym obciążeniom. Pomiary kąta zwilżania wody mogą być wykorzystane do oceny właściwości płytek po różnych etapach obróbki wstępnej oraz do korelacji tych właściwości z gęstością defektów w warstwach fotorezystu.

Podsumowanie

Optymalizacja adhezji fotorezystu przy użyciu pomiarów kąta zwilżania jest skutecznym podejściem, łączącym czyszczenie podłoża, modyfikację powierzchni oraz precyzyjne techniki pomiarowe. Zrozumienie wzajemnych zależności pomiędzy tymi czynnikami pozwala producentom zwiększyć wydajność i niezawodność urządzeń półprzewodnikowych. Wraz z postępem technologicznym tego typu analizy będą nadal odgrywać kluczową rolę w rozwoju bardziej efektywnych i wolnych od defektów komponentów mikroelektronicznych.

na podstawie tekstu Susanny Lauren

Jak wykorzystać kąty zwilżania w charakterystyce powierzchni: Statyczne kąty zwilżania

Pomiar kąta zwilżania jest najbardziej użyteczną metodą charakteryzowania zwilżalności powierzchni ciała stałego. Zapewnia najbardziej wrażliwe na powierzchnię, ilościowe, tanie i łatwe do przeprowadzenia pomiary. Z tych powodów pomiary kąta zwilżania są szeroko stosowane w wielu obszarach przemysłowych. Pozorna prostota pomiaru jest jednak czasami myląca i należy zachować ostrożność podczas przeprowadzania pomiarów kąta zwilżania, aby móc wyciągnąć prawidłowe wnioski.

Jednym z oczywistych problemów jest to, że nie istnieje tylko jeden unikalny kąt zwilżania dla każdej powierzchni. Zamiast tego można mierzyć statyczne kąty zwilżania, dynamiczne kąty zwilżania oraz kąty zwilżania skorygowane o chropowatość. Każdy z nich może wykazywać różne wartości na tej samej powierzchni i czasami może być mylące, który z nich zmierzyć. Z drugiej strony, podczas gdy jeden z kątów zwilżania może nie korelować z omawianym problemem, drugi może być bardziej odpowiedni do jego rozwiązania.

Czym jest statyczny kąt zwilżania? Statyczny kąt zwilżania to miara kąta, pod którym kropla cieczy styka się z powierzchnią stałą.

Jest to miara zwilżalności powierzchni i można go łatwo określić za pomocą tensjometru optycznego. Podczas pomiaru statycznego kąta zwilżania kroplę cieczy umieszcza się na powierzchni stałej, zwykle za pomocą ręcznej lub automatycznej strzykawki. Kropla przybierze kształt na ciele stałym, który jest określany przez interakcje między ciałem stałym, cieczą i otaczającą fazą, najczęściej powietrzem. Interakcję tę wyraził Young ponad 200 lat temu i stanowi ona podstawę teorii kąta zwilżania i swobodnej energii powierzchni, które są nadal stosowane.

Statyczny kąt zwilżania może oszacować hydrofilowość/fobowość powierzchni

Statyczny kąt zwilżania jest często używany do określania hydrofilowości/fobowości powierzchni. Jeśli pomiar kąta zwilżania jest wykonywany z wodą, powierzchnia jest określana jako hydrofilowa, gdy kąt zwilżania jest mniejszy niż 90 stopni i hydrofobowa, gdy jest większy.

Istnieje kilka zastosowań zarówno dla powierzchni hydrofilowych, jak i hydrofobowych, a statyczny kąt styku może być przydatny, gdy materiał jest wybierany do takiego zastosowania.

Statyczny kąt zwilżania może być przydatny w kontroli jakości, np. w ocenie wpływu obróbki powierzchni na kąt zwilżania. Na przykład, jeśli wiadomo, że udana obróbka plazmowa obniża kąt zwilżania z ponad 90 stopni poniżej 30, kąt zwilżania zapewnia łatwą metodę sprawdzenia tego.

Statyczne kąty zwilżania są używane do obliczania swobodnych energii powierzchniowych

Jednym z najczęstszych zastosowań statycznego kąta zwilżania jest obliczanie swobodnej energii powierzchniowej. Swobodna energia powierzchniowa jest właściwością powierzchni ciała stałego. Swobodna energia powierzchniowa jest mierzona, ponieważ jednym z warunków wstępnych zwilżalności jest to, że swobodna energia powierzchniowa ciała stałego jest wyższa niż napięcie powierzchniowe formulacji powłoki. Dlatego często oblicza się swobodną energię powierzchniową, a jej wartość porównuje się z napięciem powierzchniowym różnych składu powłoki, aby określić najlepszy kandydat na formulację.

Problemy związane ze statycznym kątem zwilżania

Chociaż pomiar statycznego kąta zwilżania wydaje się prosty, wiąże się z nim kilka problemów. Główny problem można najłatwiej wyjaśnić za pomocą szkicu swobodnej energii Gibbsa dla idealnej i rzeczywistej powierzchni. Gdyby powierzchnia była idealna, istniałoby tylko jedno minimum energii, przy którym znajdowałaby się kropla. Zmierzony kąt zwilżania byłby wówczas równoważny temu minimum energii i można by go nazwać równowagowym kątem zwilżania. Na rzeczywistych powierzchniach istnieje jednak kilka lokalnych minimów z barierami energetycznymi pomiędzy nimi. Oznacza to, że na rzeczywistych powierzchniach kropla może przybrać dowolny kształt pomiędzy nimi i niekoniecznie jest równoważna globalnemu minimum energii. Można zatem zmierzyć kilka wartości kąta zwilżania na tej samej powierzchni.

na podstawie tekstu Susanny Laurén

Rola pomiarów kąta zwilżania w rozwoju produktów kosmetycznych

W dziedzinie nauk kosmetycznych zrozumienie interakcji produktów ze skórą jest kluczowe dla opracowywania składu, który nie tylko działają dobrze, ale także zapewniają przyjemne wrażenia użytkownika. Jedną z kluczowych technik stosowanych do badania tych interakcji jest pomiar kąta zwilżania. Ta metoda dostarcza informacji na temat właściwości zwilżalności i przyczepności składników kosmetycznych i formulacji, które są niezbędne do przewidywania ich zachowania na skórze. Ten wpis na blogu zagłębia się w sposób, w jaki pomiary kąta zwilżania są wykorzystywane w rozwoju produktów kosmetycznych, opierając się na wynikach dwóch badań.

Zrozumienie pomiarów kąta zwilżania

Pomiar kąta zwilżania to technika stosowana do określania zwilżalności powierzchni przez ciecz. Polega ona na umieszczeniu kropli cieczy na stałej powierzchni i zmierzeniu kąta utworzonego między powierzchnią cieczy, a ciałem stałym. Ten kąt, znany jako kąt zwilżania, wskazuje stopień zwilżenia:

• Mały kąt zwilżania (<90°) sugeruje wysoką zwilżalność, co oznacza, że ciecz łatwo rozprzestrzenia się po powierzchni.

• Duży kąt zwilżania (≥90°) wskazuje na niską zwilżalność, w której ciecz tworzy zwartą kroplę i nie rozprzestrzenia się zbytnio.

Praktyczne implikacje dla rozwoju produktu

Optymalizacja formulacji:

Dzięki zrozumieniu zwilżalności różnych składników, można optymalizować skład produktów kosmetycznych w celu zwiększenia ich wydajności. Na przykład, wybierając surfaktanty i emolienty, które wykazują korzystne kąty zwilżania, można poprawić rozprowadzalność i wchłanianie kremów i balsamów.

Capra i in. zbadali, w jaki sposób pomiary kąta zwilżania mogą przewidywać zachowanie się różnych składników kosmetycznych na skórze. Oceniając różne klasy składników kosmetycznych i formulacje na podłożach, takich jak szkło, teflon i skóra ludzka, naukowcy odkryli, że kąt zwilżania może dostarczyć cennych informacji o powinowactwie składnika do skóry.

Na przykład niejonowe surfaktanty, takie jak etylohydroksystearynian, wykazały niższe kąty styku na szkle w porównaniu z polisorbatem 20, co wskazuje na lepszą zwilżalność i potencjał gładszej aplikacji na skórze. Tego rodzaju dane pomagają twórcom receptur dobrać odpowiednie składniki, aby uzyskać pożądane cechy produktu, takie jak rozprowadzalność i wchłanianie.

Pomiary kąta zwilżania odgrywają również rolę w ocenie stabilności i wydajności formulacji kosmetycznych. To samo badanie wykazało, że gotowe produkty, takie jak emulsje i oleje, wykazują różne kąty zwilżania w zależności od ich składu i użytych surfaktantów. Na przykład emulsje typu olej w wodzie (O/W) stabilizowane decyloglukozydem wykazały niższe kąty zwilżania na szkle, co sugeruje lepszą zwilżalność i potencjalnie lepsze odczucie na skórze.

Jednym z krytycznych aspektów rozwoju produktów kosmetycznych jest zapewnienie, że wyniki in vitro (laboratoryjne) dobrze korelują z wydajnością in vivo (rzeczywistym życiem). Capra i in. stwierdzili, że podłoża szklane mogą służyć jako niezawodny zamiennik ludzkiej skóry w testach wstępnych, ponieważ krytyczne wartości napięcia powierzchniowego szkła i skóry były podobne (31,1 dyn/cm dla szkła i 27 dyn/cm dla skóry). Odkrycie to pozwala na bardziej wydajne i ekonomiczne testowanie na wczesnych etapach rozwoju produktu.

Projektowanie ukierunkowanego produktu:

Pomiary kąta zwilżania mogą pomóc w opracowaniu produktów dla określonych typów skóry. Na przykład formulacje dla skóry tłustej można zaprojektować tak, aby optymalnie oddziaływały z wyższą zawartością lipidów, zapewniając lepszą aplikację i skuteczność.

Mavon i in. podkreślili wpływ lipidów skóry na zwilżalność. Zaobserwowano, że obszary o wyższej zawartości sebum, takie jak czoło, wykazywały niższe kąty zwilżania dla cieczy polarnych, co wskazuje na wyższą zwilżalność. Informacje te są kluczowe dla opracowywania produktów dostosowanych do różnych typów skóry i stanów.

Kontrola jakości:

Regularne pomiary kąta zwilżania mogą być częścią procesów kontroli jakości w celu zapewnienia spójności działania produktu. Wszelkie odchylenia w wartościach kąta zwilżania mogą wskazywać na potencjalne problemy z jakością składników lub stabilnością formulacji.

Wnioski

Pomiary kąta zwilżenia są potężnym narzędziem w arsenale naukowców zajmujących się kosmetykami. Dostarczają one krytycznych informacji na temat właściwości zwilżalności i przyczepności składników i formulacji, co pomaga w opracowywaniu produktów, które spełniają oczekiwania konsumentów w zakresie wydajności i odczuć. Wykorzystując tę technikę, firmy kosmetyczne mogą tworzyć innowacyjne produkty, które nie tylko dobrze wyglądają, ale także świetnie się sprawdzają na skórze.

Capra et. al. "Wetting and adhesion evaluation of cosmetic ingredients and products: correlation of in vitro and in vivo contact angle measurements", International journal of cosmetic science, 39 (2017) 393.

Mavon, et. al. "Sebum and stratum corneum lipids increase human skin surface free energy as determined from contact angle measurements", Colloids and surfaces B: Biointerfaces, 8 (1997) 147.

na podstawie tekstu Susanny Laurén

Zwilżalność włókien - Jak zmierzyć kąt zwilżania włókien?

Pomiar kąta zwilżania włókien jest kluczowym procesem w zrozumieniu ich właściwości powierzchniowych i zwilżalności. Pomiar ten dostarcza informacji na temat właściwości adhezyjnych i energii powierzchniowej włókien, które są niezbędne do zastosowań w tekstyliach, kompozytach i innych materiałach. Istnieje kilka różnych sposobów pomiaru kątów zwilżania włókien. W tym wpisie na blogu metody te są omawiane i porównywane.

Zrozumienie kąta zwilżania

Kąt zwilżania to kąt utworzony na styku, w którym ciecz spotyka się z powierzchnią stałą. Jest to miara zwilżalności powierzchni przez ciecz. Mniejszy kąt zwilżania wskazuje na lepszą zwilżalność, podczas gdy większy kąt wskazuje na słabą zwilżalność. Pomiar kąta zwilżania jest prosty, szczególnie na płaskiej powierzchni, na której kropla jest łatwo umieszczana. Jednak gdy mierzone są włókna lub inne cienkie obiekty, potrzeba więcej uwagi, aby wybrać najlepszą metodę.

Metody pomiaru kąta zwilżania włókien

Tensjometr optyczny zapewnia dwa sposoby pomiaru kąta zwilżania włókien: metodę kropli siedzącej i metodę meniskową.

Metoda spoczywająca polega na umieszczeniu kropli cieczy na włóknie i uchwyceniu obrazu kropli w celu zmierzenia kąta zwilżania. W przypadku metody kropli spoczywającej średnica kropli musi być wystarczająco mała, aby zmieściła się na włóknie. Zasadniczo oznacza to, że należy użyć dozownika pikolitrowego. W przypadku kropli wielkości pikolitrowej średnica kropli może wynosić nawet 100 um. Metoda ta nadaje się zatem do włókien, które mogą utrzymać kroplę bez znacznego odkształcenia.

Metoda meniskowa to kolejna metoda pomiaru kąta zwilżania, w której stosuje się tensjometr optyczny. W tej metodzie włókno zanurza się w cieczy, a mierzony jest utworzony menisk . Metoda jest ograniczona do kątów zwilżania poniżej 90 stopni, ponieważ wyższe wartości doprowadziłyby do menisku do wewnątrz, którego nie można zmierzyć.

Płytka Wilhelmy'ego to technika pomiaru kąta zwilżania, w której wykorzystuje się tensjometr siłowy. W tej technice pojedyncze włókno zanurza się w cieczy, a następnie mierzy się siłę wywieraną przez ciecz na włókno. Siła ta jest wykorzystywana do obliczenia kąta styku. Metoda Wilhelmy'ego jest szczególnie przydatna w przypadku włókien, które są zbyt małe lub zbyt elastyczne, aby utrzymać kroplę. Jednym z wyzwań tej techniki jest konieczność znajomości średnicy włókna.

Porównanie metod

Każda z wyżej wymienionych metod ma swoje zalety i wady. Należy szczególnie zauważyć, że wyników uzyskanych różnymi metodami nie można bezpośrednio porównywać. Wynika to z faktu, że każda metoda mierzy nieco inne kąty styku. W pomiarach pikolitrowych kąt styku jest statyczny, chociaż gdy używane są małe krople, szybkie parowanie kropli może również prowadzić do bliższych cofających się kątów styku. W metodzie menisku włókno zanurza się w cieczy, po czym jest ono podciągane do góry. Zatem zmierzony kąt styku jest bliższy kątowi cofającego się, nawet jeśli linia styku nie porusza się podczas pomiaru. Pomiar metodą płyty Wilhelmy'ego umożliwia pomiar bardzo cienkich włókien, ale aby uzyskać wiarygodne wyniki, należy znać średnicę włókna.

na podstawie tekstu Susanny Laurén

Wpływ objętości kropli na kąt zwilżania

Dla większości z mierzących kąty zwilżania, pojawia się pytanie, jaką objętość kropli powinienem użyć. Zazwyczaj rozmiar kropli używany w pomiarach kąta zwilżania wynosi od 1 do 10 mikrolitrów. Istnieją jednak sytuacje, w których potrzebne są mniejsze lub czasami większe objętości kropli. Mniejsze objętości kropli są używane, gdy obszar pomiaru jest tak mały, że krople mikrolitrowe nie zmieściłyby się w nim. Większe krople są czasami potrzebne, gdy dynamiczne kąty zwilżania są mierzone przez przechylanie próbki. Ale czy rozmiar kropli wpływa na wartości kąta zwilżania?

Typowe objętości kropli używane do pomiaru kąta zwilżania

Typowy rozmiar kropli do pomiarów kąta zwilżania wynosi od 1 do 10 μl. Jednak w ostatnich latach wzrosło zainteresowanie kroplami pikolitrowymi ze względu na potrzebę pomiaru małych obszarów mikrowzorzystych lub innych małych obiektów. Średnica podstawy kropli mikrolitrowych jest zwykle większa niż 1 mm, podczas gdy w przypadku kropli pikolitrowych średnica podstawy może wynosić zaledwie 100 mikrometrów. Jednocześnie, gdy dynamiczne kąty zwilzania są mierzone metodą przechylania, typowy jest rozmiar kropli 10 ul. Duże objętości kropli są potrzebne zwłaszcza w przypadku powierzchni o dużej histerezie kąta zwilżania, ponieważ małe krople mogą się nie poruszać, nawet jeśli zostanie wykonane przechylenie do 90 stopni.

Wpływ wielkości kropli w zakresie mikrolitrów

Wpływ wielkości kropli w zakresie mikrolitrów był szeroko badany. Drelich [1] dokonał przeglądu tych badań i doszedł do wniosku, że objętość kropli nie ma znaczącego wpływu na kąt zwilżania w przypadku powierzchni zbliżonych do idealnych, takich jak czyste płytki kwarcowe. Idealną powierzchnię uważa się za gładką, sztywną, chemicznie jednorodną, nierozpuszczalną i niereaktywną. Jednak im większa jest histereza kąta zwilżania, tym większy wpływ objętości kropli na kąt zwilżania. Różnica między podłożem, a idealnymi powierzchniami, taka jak niejednorodność chemiczna i chropowatość powierzchni, powoduje histerezę kąta zwilżania. Histerezę kąta zwilżania można określić ilościowo za pomocą dynamicznego pomiaru kąta zwilżania, w którym zdefiniowano kąty natarcia (największy) i odchylenia (najmniejszy). Wykazano, że kąt natarcia jest mniej zależny od objętości kropli niż kąt odchylenia, którego średnica podstawy jest mniejsza niż 5 mm [2].

Dyskusja na temat wpływu wielkości kropli na kąt zwilżania została rozszerzona o porównanie kropel mikrolitrowych z kroplami pikolitrowymi. Wpływ grawitacji na kroplę i szybkość zmniejszania się wielkości kropli w wyniku parowania to dwie główne różnice między kroplami pikolitrowymi i mikrolitrowymi [3].

Berson i in. [4] wykazali, że wartość kąta zwilżania ma znaczący wpływ na zachowanie parowania kropel wody o wielkości pikolitrowej. Wykazano, że masa kropli zmniejsza się liniowo, gdy początkowy kąt zwilżania jest mały, podczas gdy spadek nie jest liniowy przy większych kątach zwilżania. Niektóre badania wykazały już porównanie kropel pikolitrowych i mikrolitrowych: Taylor i in. [3] wykazali, że objętość kropel wody pikolitrowych była porównywalna z objętością kropel wody mikrolitrowych uzyskaną na grupie powszechnie stosowanych gładkich powierzchni polimerowych. Badali zachowanie kąta zwilżania w funkcji czasu przy użyciu szybkoobrazowej kamery . W przypadku kropel mikrolitrowych kąty zwilżania były stabilne w czasie, z wyłączeniem ruchomej powierzchni polimeru hydrożelowego, z którą woda reagowała chemicznie. W przypadku kropel pikolitrowych kąt zwilżania zmniejszał się w czasie w dwóch etapach; szybkie parowanie i rozprzestrzenianie się w ciągu pierwszych 0,5 s, a następnie wolniejszy etap, aż do osiągnięcia wartości ustępującej. Tak więc krzywa kąta zwilżania w funkcji czasu wskazuje również na histerezę podłoża z kroplami pikolitrowymi. Początkowa wartość kąta zwilżania kropel pikolitrowych dobrze korelowała z wartościami kąta zwilżania kropel mikrolitrowych i była również bliska wartościom literaturowym.

Taylor i in. [3] wykazali również, że w przypadku większych kropel i większego wpływu grawitacji model dopasowania profilu kropli należy dobrać ostrożnie. W przypadku kropelek pikolitrowych można stosować zarówno dopasowanie Younga-Laplace'a, jak i dopasowanie kołowe, ponieważ energia swobodna układu w stanie równowagi jest minimalizowana dla kształtu kulistego [3]. W przypadku większych kropelek (>1ul) dopasowanie kołowe stało się niedokładne, a model Younga-Laplace'a wykazał stałą wartość jako funkcję objętości kropli.

Yang i in. [5] porównali kąty zwilżania kropelek wody piko- i mikrolitrowych na rowkowanych powierzchniach polimetakrylanu metylu (PMMA) pokrytych polimerami plazmowymi jako pierwsze badanie mające na celu zbadanie anizotropowego zachowania zwilżania kropelek pikolitrowych. Stwierdzili znaczące różnice w kątach zwilżania wody przy zmianie kąta zwilżania z mikrolitrów na pikolitry, a zatem podkreślili znaczenie pokazywania wielkości kropli obok wyników kąta zwilżania.

Zgodnie z poprzednimi badaniami wykazano, że objętość kropli zmieniająca się w skali od mikrolitrów do pikolitrów ma znaczący wpływ na zachowanie zwilżania i suszenia kropelek wody na nieporowatych podłożach. Niejednorodność chemiczna i topograficzna podkreśla znaczenie objętości kropli na wyniki kąta zwilżania.

[1] J. Drelich, „Wpływ wielkości kropli (pęcherzyka) na kąt zwilżania na powierzchniach stałych”, J. Adhesion, 63, 31 (1997). [2] A. Marmur, „Miękki kontakt: pomiar i interpretacja kątów kontaktu”, Soft Matter 2 (2006), 12-17.

[3] M. Taylor, A.J. Urguhart, M. Zelzer, M.C. Davies i M.R. Alexander, „Pomiar kąta kontaktu kropli wody pikolitrowej na polimerach”, Langmuir 23,6875 (2007).

[4] A. Berson, E.L. Talbot, P.S. Brown i C.D. Bain, Eksperymentalne badanie wpływu, rozprzestrzeniania się i suszenia kropelek pikolitrowych na podłoża o szerokim zakresie zwilżalności, NIP27, 27. Międzynarodowa Konferencja na temat technologii druku cyfrowego, Minneapolis, USA, 2–6 października 2011 r.

[5] J. Yang, F.R.A.J.Rose, N. Gadegaard i M.R. Alexander, „Wpływ objętości kropli siedzącej na anizotropię zwilżania obserwowaną na powierzchniach rowkowanych”, Langmuir 25, 2567 (2009).

na podstawie tekstu Susanny Laurén

Zwilżalność proszków - Jak mierzyć zwilżalność proszków?

Zrozumienie zwilżalności proszków jest ważne w wielu obszarach zastosowań, takich jak tusze i farby, a także w przemyśle spożywczym i farmaceutycznym. Zwilżalność to preferencja cieczy do kontaktu z ciałem stałym otoczonym innym płynem. Zwilżanie jest pierwszym etapem dyspersji i rozpuszczania proszku, dlatego jego pełne zrozumienie jest ważne na przykład przy ocenie biodostępności leku lub przydatności pigmentu do farby.

Zwilżalność powierzchni ciała stałego jest powszechnie mierzona za pomocą tensjometru optycznego, wykorzystując metodę kropli spoczywającej. Kropla wody jest umieszczana na powierzchni, a utworzony kąt zwilżania jest mierzony od granicy trzech faz, gdzie przecinają się ciecz, gaz i ciało stałe. Zwilżalność proszków można również mierzyć za pomocą tensjometru optycznego, ale może być to trudne ze względu na porowatą i luźną strukturę proszków, która sprawia, że kropla często rozprzestrzenia się i natychmiast tonie w proszku. Najczęstszym sposobem pomiaru zwilżalności proszku jest użycie metody Washburna z tensjometrami siłowymi. Jednak najlepsza metoda charakteryzowania zwilżalności proszku zależy od właściwości proszku i celów zastosowania.

Metoda Washburna

Metoda Washburna jest najczęściej stosowaną i najbardziej atrakcyjną metodą określania zwilżalności proszków, ponieważ jest szybka, zautomatyzowana i ekonomiczna. Metoda ta opiera się na zwilżaniu kapilarnym, w którym proszek zapakowany do określonego pojemnika jest traktowany jako wiązka równoległych kapilar o stałym promieniu. W metodzie Washburna pojemnik z przepuszczalnym dnem jest doprowadzany do kontaktu z cieczą, a masa cieczy wchłoniętej przez proszek jest mierzona w czasie. Powstała krzywa dostarcza informacji o ilości absorpcji i kinetyce, które zależą od kąta zwilżania proszku i właściwości cieczy.

Kąt zwilżania, θ, można zdefiniować na podstawie równania Washburna

cos⁡θ=η/(Cρ2 γl) *m2/t,

gdzie C jest stałą materiałową, ρ jest gęstością cieczy, η jest lepkością cieczy, γl jest napięciem powierzchniowym cieczy, a m2/t jest nachyleniem krzywej absorpcji. Stała materiałowa jest nieznana przed pomiarem, ale można ją zdefiniować za pomocą całkowicie zwilżającej cieczy, takiej jak heptan, która daje kąt zwilżania równy zero. Stała materiałowa zależy od upakowania proszku i wielkości cząstek, dlatego ważne jest, aby dla każdej próbki stosować tę samą technikę upakowania. Po uzyskaniu stałej materiałowej można określić kąt zwilżania za pomocą interesującej cieczy. Metoda Washburna nie nadaje się do proszków hydrofobowych, ponieważ proszek musi zostać zwilżony, aby ciecz mogła unieść się do złoża proszku.

Kropla spoczywająca

Bezpośrednie pomiary kropli siedzącej za pomocą tensjometru optycznego są szybkie w wykonaniu i wymagają jedynie niewielkiej ilości cieczy pomiarowej, ale mogą być trudne w przypadku proszków. Kropla często wnika w proszek natychmiast. Dlatego często potrzebna jest szybka kamera , aby uchwycić początkowy kąt kontaktu przed absorpcją.

Jeśli proszek jest ściśliwy, można go skompresować do formatu tabletki poprzez zastosowanie nacisku, po czym kroplę można umieścić na wierzchu. Jednak zastosowanie nacisku i skompresowanie proszku do zwartej formy może zmienić właściwości powierzchniowe cząstek proszku i pozostawić powierzchnię tabletki chropowatą. W związku z tym skompresowana tabletka może nie odzwierciedlać rzeczywistych właściwości powierzchniowych proszku. Z drugiej strony skompresowana tabletka może lepiej reprezentować produkt końcowy w przypadku niektórych zastosowań. Bezpośrednia metoda kropli spoczywającej może być również stosowana do pomiaru kąta zwilżania z luźnych proszków. Proszek można po prostu rozprowadzić na powierzchni z klejem lub bez. W ten sposób proszek pozostaje nienaruszony i reprezentuje rzeczywiste właściwości powierzchniowe proszku. Bezpośrednie pomiary kropli siedzącej są najwygodniejsze w przypadku proszków hydrofobowych.

Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o pomiarach zwilżalności proszku, pobierz dokument.

na podstawie tekstu Susanny Laurén

7 sposobów pomiaru kąta zwilżania

Zwilżalność jest czynnikiem decydującym w wielu zastosowaniach, od powłok po ulepszone odzyskiwanie ropy naftowej, implanty medyczne i pestycydy. Ze względu na szeroki zakres zastosowań pomiar zwilżalności, tj. pomiar kąta zwilżania, można wykonać kilkoma różnymi metodami.

Kropla spoczywająca

Kropla spoczywająca jest najczęściej stosowaną metodą pomiaru kąta zwilżania. Wykonuje się ją za pomocą tensjometru optycznego, który obejmuje zarówno instrumenty ręczne, jak i systemy całkowicie zautomatyzowane. W metodzie kropli siedzącej kroplę, zwykle wodę, umieszcza się na próbce ciała stałego, a obraz kropli jest wykonywany przez kamerę o wysokiej rozdzielczości. Następnie kąt zwilżania jest automatycznie określany przez oprogramowanie.

Pomiar kropli spoczywającej daje tzw. statyczny kąt zwilżania powierzchni. Pomiary kropli siedzącej są najczęściej wykonywane z wodą. Jeśli kąt zwilżania wodą jest mniejszy niż 90 stopni, powierzchnię uważa się za hydrofilową, a jeśli kąt zwilżania jest większy niż 90 stopni, powierzchnię uważa się za hydrofobową. Hydrofilowość i hydrofobowość są ważne w wielu zastosowaniach. Pomiar kąta zwilżania wodą jest często stosowany w celach kontroli jakości, ponieważ oferuje szybki i nieniszczący sposób sprawdzenia chemii powierzchni. Siedząca kropla jest również często wykorzystywana do obliczeń swobodnej energii powierzchni.

Typowe zastosowania: Obliczenia swobodnej energii powierzchni, Kontrola jakości, optymalizacja obróbki powierzchni

Rosnące i mające kąty zwilżania metodą igłową

Tak zwana metoda igłowa oferuje sposób pomiaru rosnących i malejących kątów zwilżania. W tej metodzie igła jest zbliżana do powierzchni. Rozmiar kropli, najczęściej wody, jest stopniowo zwiększany poprzez pompowanie większej ilości cieczy do kropli. Gdy linia bazowa kropli zaczyna się przesuwać, mierzony jest przesuwający się kąt zwilżania. Następnie rozmiar kropli jest stopniowo zmniejszany poprzez zasysanie cieczy z powrotem do dozownika. Gdy linia bazowa zaczyna się cofać, mierzony jest cofający się kąt zwilżania. Pomiar przesuwających się i cofających się kątów zwilżania jest zawsze zalecany, ale pomiar ten jest szczególnie wykorzystywany do badania zwilżania inteligentnych powierzchni.

Typowe zastosowania: Powierzchnie superhydrofobowe

Metoda przechyłowa

Metoda przechyłowa to kolejna metoda pomiaru dynamicznego kąta. W tej metodzie kroplę umieszcza się na powierzchni, po czym podłoże jest przechylane, aż kropla zacznie się poruszać. Przechylanie można wykonać albo przechylając stolik próbki, albo przechylając cały instrument. Gdy kropla zaczyna się poruszać, kąt styku przesuwającego się jest mierzony z przodu kropli i cofający się od tyłu kropli. Metoda ta pozwala również określić tzw. kąt roll-off, czyli kąt, pod którym kropla zaczyna się poruszać.

Typowe zastosowania: Powierzchnie inteligentne, pomiar przechyłu kąta

Metoda uwięzionych pęcherzyków

W metodzie uwięzionych pęcherzyków mierzone są statyczne lub dynamiczne kąty zwilzania, tak aby próbka była zanurzona w cieczy. Cieczą jest najczęściej woda. Pomiary kąta zwilżania są następnie wykonywane przy użyciu pęcherzyka powietrza lub jakiejś mniej gęstej niż woda cieczy, takiej jak olej. Pomiar pęcherzyków zamkniętych umożliwia wykonywanie pomiarów w układach ciało stałe-ciecz-ciecz, co jest szczególnie istotne w badaniach zwilżalności złoża ropy naftowej. Umożliwia również pomiar próbek, które muszą być zanurzone w wodzie w celu przeprowadzenia właściwych pomiarów, takich jak soczewki kontaktowe. W przypadku soczewki kontaktowej pęcherzyk powietrza służy do określenia hydrofilowości powierzchni soczewki.

Typowe zastosowanie: Soczewka kontaktowa, powierzchnie superhydrofilowe, zwiększone wydobycie ropy naftowej

Płytka Wilhelmy'ego

Płytka Wilhelmy'ego to metoda pomiaru, która jest często stosowana do pomiarów napięcia powierzchniowego, ale może być również dostosowana do pomiaru kąta zwilżania. Metoda jest wykonywana za pomocą tensjometru siłowego. Próbka jest zawieszana na haku, który jest podłączony do bardzo czułej wagi. Następnie próbka jest zanurzana w cieczy (najczęściej w wodzie). Siła wywierana na próbkę jest rejestrowana i na podstawie napięcia powierzchniowego cieczy i wymiarów próbki obliczany jest kąt zwilżania. Metoda płytki Wilhelmy'ego podaje kąt zwilżania postępujący, gdy próbka jest zanurzana, i kąt cofania, gdy próbka jest podnoszona. Ważnym aspektem, który należy tutaj zauważyć, jest to, że kąt styku jest średnią całej zanurzonej powierzchni. Obie strony próbki muszą być identyczne. Ze względu na czułość metody, jest ona często używana do pomiaru kąta styku włókien o średnicach do 7 um.

Typowe zastosowania: Włókna (do 7 um)

Menisk

Menisk to metoda wykorzystująca optyczny tensjometr do pomiaru kąta styku cienkich obiektów, takich jak włókna. Próbka jest zanurzana w cieczy, która zazwyczaj jest wodą, a następnie podnoszona, tak aby powstał menisk cieczy. Następnie kąt zwilżania jest określany poprzez obserwację kąta, który tworzy się między meniskiem cieczy, a próbką.

Typowe zastosowania: włókna (do 200 um), inne cienkie obiekty

Metoda Washburna

Metoda Washburna opiera się na kapilarnym wzroście cieczy do proszków lub innych porowatych materiałów. Materiał jest najczęściej pakowany do uchwytu ze stali nierdzewnej, który jest zawieszony na haku tensjometru siłowego. Uchwyt z otworami na dole jest następnie zanurzany w cieczy, a pobieranie masy przez proszek jako funkcja czasu jest rejestrowane. Do obliczeń używa się równania Washburna. Ważną rzeczą do odnotowania jest to, że aby móc określić kąt zwilżania dla materiału, najpierw należy wykonać pomiar z całkowicie zwilżoną cieczą, aby określić tzw. stałą materiałową. Stała materiałowa zależy od upakowania materiału w uchwycie. Oznacza to, że metoda upakowania jest jedną z najważniejszych części procesu pomiaru.

Typowe zastosowania: proszki, materiały porowate

Aby dowiedzieć się więcej o różnych metodach pomiaru kąta zwilżania, pobierz dokument, korzystając z poniższego łącza.

POBIERZ Contact angle - What is it and how do you measure it?

na podstawie tekstu Susanny Laurén

Badanie zwilżalności membran: klucz do zrozumienia procesów separacyjnych

W świecie filtracji i procesów separacyjnych pojęcie zwilżalności odgrywa kluczową rolę w określaniu wydajności i skuteczności materiałów membranowych. Membrany są szeroko stosowane w wielu gałęziach przemysłu, w tym w uzdatnianiu wody, farmacji oraz przemyśle spożywczym, do rozdzielania substancji na podstawie ich rozmiaru, ładunku lub właściwości chemicznych. Zrozumienie zwilżalności membran jest niezbędne do optymalizacji tych procesów i osiągania pożądanych efektów separacji. W tym artykule przyjrzymy się fascynującemu zagadnieniu zwilżalności membran oraz jej znaczeniu w nauce o separacjach.

Rola zwilżalności w technologii membranowej

Zwilżalność jest kluczowym parametrem w technologii membranowej, ponieważ wpływa na sposób, w jaki ciecze oddziałują z powierzchnią membrany. Membrany są zazwyczaj wykorzystywane do rozdzielania mieszanin substancji poprzez umożliwienie przenikania jednych składników przy jednoczesnym zatrzymywaniu innych. Zwilżalność membrany może w istotny sposób wpływać na jej działanie w następujących aspektach:

Wydajność filtracji
Zwilżalność membrany wpływa na to, jak ciecz rozprzestrzenia się na jej powierzchni. Membrana o wysokiej zwilżalności umożliwia lepsze zwilżenie powierzchni przez roztwór zasilający, co prowadzi do bardziej efektywnych procesów filtracji i separacji. Z kolei membrany słabo zwilżalne mogą być bardziej podatne na fouling i spadek wydajności.

Selektywność
Różne składniki mieszaniny mogą wykazywać odmienne właściwości zwilżania. Poprzez odpowiedni dobór lub modyfikację zwilżalności membrany możliwe jest zwiększenie skuteczności separacji określonych składników w zależności od ich powinowactwa do powierzchni membrany.

Właściwości antyfoulingowe
Fouling występuje, gdy cząstki lub zanieczyszczenia osadzają się na powierzchni membrany, utrudniając przepływ cieczy i obniżając efektywność separacji. Membrany o kontrolowanej zwilżalności mogą być projektowane tak, aby ograniczać fouling, co przekłada się na dłuższą żywotność i bardziej niezawodną pracę.

Zużycie energii
Zwilżalność membrany może wpływać na ilość energii wymaganej w procesach filtracji i separacji. Optymalizacja zwilżalności pozwala zmniejszyć zużycie energii oraz koszty operacyjne.

Modyfikowanie zwilżalności membran

Zwilżalność membran może być modyfikowana różnymi technikami i metodami, w zależności od materiału oraz pożądanych właściwości. Do najczęściej stosowanych podejść należą:

Dobór materiału
Wybór materiałów membranowych o naturalnych właściwościach zwilżania dopasowanych do wymagań procesu separacji może znacząco uprościć projektowanie całego procesu.

Modyfikacja powierzchni
Obróbki chemiczne, takie jak obróbka plazmowa, szczepienie (grafting) czy powlekanie warstwami hydrofilowymi lub hydrofobowymi, pozwalają zmieniać właściwości powierzchni membran w celu uzyskania pożądanej zwilżalności.

Nanotechnologia
Nanomateriały, takie jak nanocząstki czy nanokompozyty, mogą być wprowadzane do struktury membran w celu precyzyjnego kształtowania ich zwilżalności i poprawy parametrów użytkowych.

Podsumowanie

W technologii membranowej zrozumienie i kontrola zwilżalności mają fundamentalne znaczenie. Membrany o odpowiednio dobranych właściwościach zwilżania mogą zwiększać wydajność filtracji, selektywność oraz odporność na fouling, jednocześnie ograniczając zużycie energii. W miarę jak przemysł dąży do coraz bardziej zrównoważonych i efektywnych procesów separacyjnych, postępy w badaniach nad zwilżalnością membran będą odgrywać kluczową rolę w realizacji tych celów. Odkrywanie świata zwilżalności membran otwiera nowe, ekscytujące możliwości innowacji i rozwoju nauki o separacjach.

na podstawie teksu Susanny Lauren