Физико-химические основы смачивания

При ψ = 100%, как  и в случае системы "парафин—ДМСО", θ возрастает с течением времени (кривая 1). Причиной возрастания θ может являться увеличение объема капли вследствие поглощения каплей паров воды, что следует из изменения параметров капли (увеличения объема капли при неизменной ширине ее основания).

3.5  РАСЧЕТ ПОВЕРХНОСТНОЙ ЭНЕРГИИ И ЕЕ СОСТАВЛЯЮЩИХ

Для расчета  величин поверхностной энергии [12] были использованы значения краевых  углов θ, полученные с учетом испарения, растекания капли, а также поглощения каплей паров воды из окружающей среды. Учет вышеуказанных процессов осуществляли путем экстраполяции кинетических кривых в точку при τ= 0 с. При этом полагалось, что полученное значение 9 при т = 0 с достаточным приближением можно считать соответствующим равновесному краевому углу.

Для гидрофобной  поверхности парафина в начальный момент времени наблюдается резкое уменьшение значений краевых углов смачивания водой с увеличением влажности среды и практическая неизменность величины θ при использовании ДМСО (табл. 1). Для гидрофильной поверхности ПЭТФ изменение влажности среды оказывает значительное влияние на величину θ, как при использовании воды, так и ДМСО. По данным, имеющимся в литературе, для системы вода/парафин θ изменяется в пределах 104—109° [10], по нашим результатам при ψ=0% краевой угол смачивания парафина водой составляет 105°.

Таблица 2. Значения поверхностной энергии (γ) и ее составляющих (дисперсионной  γ^d и полярной γ^р) парафина и ПЭТФ в зависимости от влажности окружающей среды

* Величина  в скобках представляет собой  погрешность последней значащей цифры θ₀ при доверительной вероятности Р = 95%.

Таблица 1. Значения краевых углов смачивания 6 водой и ДМСО поверхностей парафина и ПЭТФ в зависимости от влажности  окружающей среды при т = 0 с

* Величина  в скобках представляет собой  погрешность последней значащей  цифры 0 при доверительной вероятности  95%,

Анализ полученных данных выявил, что для исследованных объектов изменение влажности окружающей среды в большей мере сказывается на величине полярной составляющей и в меньшей степени — на полной поверхностной энергии и ее дисперсионной составляющей (табл. 2). Для гидрофобной поверхности парафина значение полярной составляющей увеличивается в два раза при изменении влажности среды от 0% до 25%. При этом значения γ^р при влажности 25% и 100% практически совпадают, что не исключает присутствия конденсата влаги на поверхности парафина уже при ψ=25%. Антибатное уменьшение дисперсионной составляющей приводит (в пределах погрешности эксперимента) к нивелированию влияния влажности среды на величину полной поверхностной энергии.

Для гидрофильной поверхности ПЭТФ характер зависимости  полярной и дисперсионных составляющих поверхностной энергии от влажности среды противоположен таковому для парафина. Наблюдается резкое уменьшение полярной и более слабое увеличение дисперсионной составляющей с увеличением влажности среды. И как следствие имеется уменьшение общей поверхностной энергии. Для ПЭТФ уменьшение γ^р значительно и при изменении ψ от 0% до 100% составляет более 8 мДж/м². Причиной этого, как уже говорилось ранее, может быть изменение структуры поверхностного слоя полимерной пленки за счет конформационных изменений участков цепи. Для общей поверхностной энергии с увеличением влажности среды имеется тенденция к уменьшению ее значения.

3.6 Выводы

Таким образом, показано, что существует зависимость величины θ от влажности окружающей среды. Для гидрофильной поверхности ПЭТФ при использовании в качестве рабочей жидкости, как воды, так и ДМСО, эта зависимость носит симбатный характер, что свидетельствует о кажущемся уменьшении полярности поверхности ПЭТФ с увеличением влажности. Для гидрофобной поверхности парафина использование воды в качестве смачивающей жидкости приводит к антибатной зависимости θ от влажности окружающей среды. Для системы "парафин/ДМСО" зависимость θ от влажности окружающей среды не выявлена.

Установлено, что повышение влажности среды  приводит к появлению следующих  артефактов: увеличение объема капли  ДМСО (что сопровождается увеличением θ); растекание капли воды по поверхности образца (приводит к уменьшению θ). Выявлено, что указанные артефакты отсутствуют при нулевой влажности.

При расчете  величин θ учет испарения, растекания капли, а также поглощения каплей паров воды из окружающей среды рекомендуем осуществлять путем экстраполяции кинетических кривых в точку при τ = 0с. При этом полагаем, что полученное значение θ с достаточным приближением можно считать соответствующим равновесному краевому углу.

Изменение влажности окружающей среды в  основном сказывается на величинах полярной и дисперсионной составляющих поверхностной энергии, и в меньшей мере — на суммарной поверхностной энергии. Увеличение полярной составляющей с увеличением влажности в случае парафина, по всей вероятности, связано с наличием конденсата влаги на поверхности. Уменьшение полярной составляющей ПЭТФ с увеличением влажности можно объяснить проникновением адсорбционной воды в поверхностный слой полимерной пленки.

Работа поддержана Междисциплинарным проектом Президиума УрО РАН "Наноразмерные поверхностные структуры и их связь с механическими, химическими и физическими свойствами материалов" (2009-2011 п:).

3.7 Литература

1. Иванов А.В., Сумм БД. // Вестник Московского ун-та. Сер. 2. Химия. 2004. Т. 45. № 2. С. 139.
2. Гильман А.Б., Драчев А.И., Венгерская Л.Э. и др. // Химия высоких энергий. 2003. Т. 37. № 6. С. 475.
3. Барабанов В.П., Осипов О.Л., Санников С.Г. и др. // Химия и компьютерное моделирование. Бутлеров- ские сообщения. 2002. № 6. С. 47.
4. Ляхович А.М.,Дорфман A.M., Повстугар В.И. // Известия АН. Сер. физ. 2002. № 9. С. J 054.
5. Шашки на О.Р., Богданова С.А., Барабанов В.П. и др. // Структура и динамика молекулярных систем. 2003. Вып. 10. Ч. 3. С. 61.
6. Емельяненко A.M. // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2008. Т. 44. № 5. С. 453.

7 Безуглый Б.А., Тарасов OA., Федорец А.А. // Коллоид. журн. 2001. № 6. С. 735.

8. Дерягин Б.В., Чураев Н.В. Смачивающие пленки. М.: Наука, 1984. С. 67.
9. Whalen J.W., Lai K.-Y. // J. Colloid Interface Sci. 1977. V. 59. № 3. P. 483.
10. Сумм Б.В., Горюнов Ю.В. Физико-химические основы смачивания и растекания. ML: Химия, 1976. С. 81.
11. Рабинович В.А., Хавин З.Я. Краткий химический справочник. JI.: Химия, 1978. С. 146.
12. Поверхностные явления и поверхностно-активные вещества: Справочник / Под ред. Абрамзона А.А., Щукина Е.Д. JI.: Химия, 1984.
13. Fowkes F.M. // J. Colloid Interface Sci. 1968. V. 28. № 3. P. 493.
14. Lieng-Huang Lee // Adhesion Sci. Technol. 1993. V. 7. № 6. P. 583.
15. Повстугар В.И., ШаковАА., Михайлова С.С. и др. // Журн. аналит. химии. 1998. Т. 53. № 8. С. 795.
16. Beamson G., Briggs D. High Resolution XPS of Organic Polymers. The Scienta ESCA300 Database. Chichester, New York, Brisbane, Toronto, Singapore: John WUey&Sons, 1992. C. 277.
17. Анализ поверхности методами Оже- и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии / Под ред. Бриггса Д., Сиха М.П. М.: Мир, 1987.600 с.
18. Ляхович A.M., Дорфман A.M., Муравьев А.Е., Широ- боков М.А. // Поверхность. Рентгеновские, син- хротронные и нейтронные исследования. 2004. № 5. С. 94.
19. EverhartD.S., ReilleyC.N. //Surf. Inter. AnaL 1981. V. 3. № 3. P. 126.
20. Повстугар В.И., Кодолов В.И., Михайлова С.С. Строение и свойства поверхности полимерных материалов. М.: Химия, 1988.
21. Липатов Ю.С. Межфазные явления в полимерах. Киев: Наукова думка, 1980. С. 87.
22. Пугачевич П.П., Бегляров Э.М., Лавыгин НА. Поверхностные явления в полимерах. М.: Химия, 1982. С. 121.
23. Тарасевич Ю.И. // Коллоид, журн. 2007. Т. 69. Ne 2. С. 235.
24. Мельникова Н.Б., Иоффе И.Д. // Химия растительного сырья. 2002. № 2. С. 93.
25. Мельникова Н.Б., Игнатов В.И., Должикова В.Д. и др. // Вестник Московского ун-та. Сер. 2. Химия. 1998. Т. 39. №6. С. 413

4. Список литературы.

1. Гельфман М. и др. «Коллоидная химия» 2004 год.
2. Пасынский А.Г. «Коллоидная химия» 1953 год.
3. Фридхсберг Д.А. «Курс коллоидной химии» 1984год
4. Щукин Е.Д. «Коллоидная химия» 2004 год.
5. Сумм Б.Д. «Основы коллоидной химии» 2007 год.
6. Сумм Б. Д., Горюнов Ю. В. «Физико-химические основы смачивания и растекания». М., «Химия», 1976.