При измерении краевого угла каплю проецируют на экран. На проекции капли проводят касательную в точке пересечения контура капли с подложкой и измеряют угол наклона этой касательной (рис. 4).
Рис. 4. Схема установки для определения краевого угла: 1 - источник света;
2 - испытуемая поверхность; 3 - увеличитель; 4 - экран; 5 - контур капли
Возможная ошибка угла смачивания может составлять 3-5 0. Погрешности связаны в основном с тем, что измерения проводят по одной проекции капли. Точность определения краевого угла возрастает с уменьшением размеров капли.
Определение краевого угла может быть осуществлено методом наклона пластины, помещенной в жидкость (рис. 5).
Рис. 5. Определение краевого угла методом наклона пластины:
а, б - для гидрофобных; в, г - для гидрофильных поверхностей
Непосредственно измерить краевой угол по величине угла между касательной в точке К и пластиной экспериментально очень трудно. Поэтому для определения краевого угла в этих условиях измеряют угол наклона пластины. Помещенная в жидкость пластина наклоняется на определенный угол. В случае гидрофобной поверхности пластины величина краевого угла в сумме с углом a составляет 1800, т.е. a 1 + q=180 ° . Измерив угол a 1, нетрудно определить и краевой угол. На гидрофильной поверхности сумма углов a 2 и q равна 900, т.е. a 2 +q =90 ° . Поэтому угол наклона пластины в этом случае равен краевому углу.
Краевой угол может быть определен на высоте подъема слоя жидкости, примыкающей к стенке сосуда (рис. 6).
Рис. 6. Высота подъема жидкости по вертикальной стенке
В соответствии с законом Гаусса-Лапласа можно написать
. (34)
2.2. Расчет краевого угла по форме капли
Значение краевого угла можно определить по основным размерам прилипшей капли: по высоте h и радиусу или диаметру площади контакта капли с поверхностью r к (рис. 7).
Рис. 7. Капля жидкости на горизонтальной поверхности
Краевой угол рассчитывают по следующим формулам:
при q <90 ° (35)
при q >90 ° или (36)
при q <90 ° , (37)
при q >90 ° . (38)
Ошибки в расчетах краевого угла по форме капли связаны с неточностью определения контура капли. Возможны ошибки, вызванные отклонениями от условий.
2.3. Определение краевого угла методом погружения
Метод основан на измерении массы пластины или цилиндра при погружении в жидкость. При этом происходит втягивание или выталкивание твердого тела в зависимости от того смачивается или не смачивается оно жидкостью.
Метод погружения пластин обычно применяют для определения краевых углов на гидрофильных поверхностях. В этих условиях происходит втягивание пластины в жидкость и увеличение ее массы на величину D mg, где D m - разность в массе между частично погруженной в жидкость и сухой пластиной. Выталкивающая сила будет противодействовать силе тяжести пластины и втягивающей силе, которая возникает по периметру смачивания L. В условиях равновесия можно написать:
, (39)
где r - плотность жидкости; S - поперечное сечение пластины; h - глубина погружения пластины.
Из уравнения (39) можно получить:
. (40)
Приборы для определения краевого угла позволяют по известным sжг, L, D m, r и S найти его величину в зависимости от глубины погружения пластины.
Метод погружения может быть использован и при определении краевого угла для сферических частиц, при условии если плотности жидкой и твердой сред мало отличаются друг от друга.
Лабораторная работа
Цель работы. Определить краевой угол смачивания жидкости на поверхности твердых тел. Вычислить работу адгезии. Оценить поверхностную энергию твердого тела.
Приборы и реактивы: проекционный фонарь, экран с транспортиром, микропипетки, набор жидкостей, набор пластин.
Сущность работы. Работу адгезии определяют по формуле (12), если известны поверхностное натяжение на границе с воздухом и краевой угол смачивания жидкостью поверхности твердого тела. Из формулы (20) можно определить поверхностное натяжение (свободную поверхностную энергию) твердого тела. В данной работе определяют адгезию жидкости на твердой пластине и оценивают поверхностное натяжение твердого тела. Для решения этого вопроса необходимо измерить краевой угол смачивания твердой пластины жидкостью.
Порядок выполнения работы
В последнее время разработано много методов определения краевого угла смачивания [1]. Однако наиболее надежным и доступным является метод непосредственного измерения краевого угла между поверхностью капли, находящейся на пластине, и поверхностью пластины. Каплю проецируют на экран (см. рис. 3), добиваясь максимальной резкости в изображении контура капли. На проекции капли проводят касательную в точке пересечения контура капли с подложкой и измеряют угол наклона этой касательной (см. рис. 4). Возможная ошибка измерения краевого угла может составлять 3-5 0.
Небольшую пластину тщательно обезжиривают, промывают хромовой смесью, серным эфиром и дистиллированной водой. После такой подготовки пластину берут только за края, ни в коем случае не прикасаясь пальцами к ее поверхности, и помещают в фокус объектива проектора. Затем с помощью бюретки (пипетки) на поверхность пластины помещают каплю жидкости. После получения резкого изображения капли на экране проводят замер краевого угла смачивания. Процедуру нанесения капли и замера угла проводят несколько раз. По результатам измерений вычисляют среднее значение угла, дисперсию и доверительный интервал. Поверхностные натяжения на границе с воздухом некоторых жидкостей при различной температуре приведены в работе [1].
По полученному среднему значению краевого угла находят cos q. Работу адгезии и поверхностное натяжение твердого тела вычисляют по формулам (12,16-20), подставляя в них поверхностное натяжение жидкости при фиксированной температуре и значении cos q . Полученные данные сводят в табл. 1, описывают, анализируют, делают выводы.
Таблица 1
Условия эксперимента | Результаты измерений | |||||
Природа твердой поверхности | Природа жидкости | темпера- тура Т , К | состояние поверх- ности | краевой угол смачивания
q, град. ![]() | cos q | поверхностное натяжение s жт, Дж/м2 |
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
Результаты вычислений записывают в табл. 2.
Таблица 2
Результаты вычислений | |||
Природа твердой поверхности | Природа жидкости | работа адгезии W, Дж | поверхностное натяжение твердого тела s тг, Дж/см2 |
1 | 2 | 3 | 4 |
Все результаты измерений и вычислений записываются в системе СИ.
Дата: 2019-02-19, просмотров: 324.