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
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz