ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Влияние шероховатости из "Физико-химические основы смачивания и растекания" Поверхность реальных твердых тел никогда не бывает идеально гладкой плоскостью, а покрыта многочисленными неровностями различной формы. Размеры неровностей изменяются в очень широких пределах — от нескольких межатомных расстояний до десятков микрон, а в отдельных случаях — до нескольких миллиметров. Влияние шероховатости на смачивание изучено наиболее подробно для поверхностей с неровностями (выступами, впадинами), средняя глубина или высота которых составляет от десятых долей до нескольких десятков микрон. [c.53] Шероховатость твердой поверхности характеризуется ее микрорельефом, который обычно представляет сложное хаотическое чередование разнообразных выступов и впадин. Измеряют микрорельеф с помощью профилографов, которые могут выявлять неровности примерно до 1 мкм. Более тонкие детали выявляются другими методами, в частности с помощью интерференционных и электронных микроскопов. [c.53] Для характеристики микрорельефа обычно используют коэффициент шероховатости К — отношение фактической площади поверхности (с учетом площади впадин и выступов) к проекции на горизонтальную плоскость. Площадь участка, выбираемого для расчета коэффициента шероховатости, должна быть достаточно велика по сравнению с размерами отдельных неровностей, иначе коэффициент шероховатости не будет усредненной характеристикой поверхности. [c.53] Из определения коэффициента шероховатости очевидно, что всегда /( 1. После шлифовки металлов (алюминия, бронзы, некоторых марок стали и чугуна) К = 1,005 [66]. Для грубодисперсных структур, волокнистых и пористых материалов коэффициент шероховатости может быть значительно больше. [c.53] Соотношение (П. 6) называется уравнением Венцеля — Дерягина [67, 68]. [c.54] При экспериментальном исследовании влияния шероховатости на смачивание в ряде случаев получено удовлетворительное согласие с приведенными выше теоретическими выводами. [c.55] При контакте воды с нержавеющей сталью макрокраевой угол при значительном изменении коэффициента шероховатости оставался постоянным —90° [41] в соответствии с уравнением (П. 6) это единственный случай, когда шероховатость не должна влиять на макрокраевой угол. [c.56] Пунктир соответствует статическому краевому углу. [c.58] ТОГО парафином верхняя часть цилиндра находилась на воздухе, нижняя — в воде. С увеличением скорости вращения разность краевых углов натекания и оттекания возрастала вплоть до некоторого предельного значения (рис. 11.7) [41]. [c.58] Количественные расхождения между экспериментальными и расчетными значениями краевых углов не исчерпывают ограничений в использовании термодинамического метода. Часто встречаются такие случаи, когда изменение шероховатости влияет на краевые углы в диаметрально противоположном направлении, чем это следует из уравнения (II. 6) или из указанных выше неравенств. Например, жидкий сплав олова с титаном на полированной поверхности кварца образует краевой угол 50,5°, а на шлифованной поверхности краевой угол оказывается больше (69°) [3]. При увеличении высоты микровыступов заметно ухудшается смачивание меди ртутью (в несколько раз сокращается смоченная площадь при одинаковом объеме капли) [74]. Подобные расхождения, обусловленные гистерезисом смачивания (ряд примеров приведен ниже), стимулировали развитие теорий, в которых наряду с коэффициентом шероховатости учитываются также форма и расположение отдельных микронеровностей. [c.58] Форму неровностей обычно характеризуют углом наклона а различных участков твердой поверхности к горизонтальной плоскости, точнее — к той плоскости, на которую проецируется реальная поверхность при расчете коэффициента шероховатости (см. рис. 11.4). Угол наклона (крутизна микрорельефа) представляет локальную характеристику рельефа твердой поверхности. Крутизна может сильно меняться при переходе от одного участка поверхности к другому. В общем случае нет прямой зависимости между коэффициентом шероховатости и крутизной. В частном случае, когда микрорельеф представляет периодическое чередование параллельных гребней и канавок с поперечным сечением в виде одинаковых равнобедренных треугольников, К= 1/соза. [c.58] В отсутствие посторонних сил перемещение линии смачивания при натекании может происходить только в том случае, если при этом происходит непрерывное уменьшение динамического краевого угла. Перемещение прекратится, если в каких-либо двух положениях линии смачивания краевые углы больше, чем в промежуточном положении. Для каждой данной канавки имеется такое положение линии смачивания, при котором динамический краевой угол принимает минимальное значение (0д)мин- Именно, минимальный краевой угол достигается в тот момент, когда линия смачивания проходит через точку, в которой крутизна микрорельефа максимальна (амакс)- При этом (0д) мин = 0ш — макс- Дзльнейшее перемещение линии смачивания в пределах этой же канавки привело бы к увеличению динамического краевого угла. Такой процесс сопровождался бы увеличением свободной энергии системы, поэтому самопроизвольно (без дополнительных воздействий) он протекать не может. [c.59] Аналогично можно показать, что в условиях оттекания, т. е. при уменьшении смоченной площади, метастабильным положениям равновесия соответствуют максимальные значения динамических краевых углов (6д) макс = 0ш + макс (при оттекзнии самопроизвольное перемещение линии смачивания сопровождается увеличением краевого угла). [c.60] Следует далее учитывать расстояние между неровностями. Так, если макрокраевой угол натекания 0ш 90°, касательная к поверхности жидкости в канавке может пересечь следующий гребень. При таком расположении метастабильное равновесие жидкости в данной канавке не достигается и линия смачивания может переместиться в соседнюю канавку без участия внешних воздействий. [c.60] Таким образом, при растекании жидкости перпендикулярно направлению микронеровностей макрокраевой угол зависит от крутизны наклона различных участков твердой поверхности. В результате возникают принципиальные отличия смачивания шероховатых твердых поверхностей по сравнению с идеально гладкими. Прежде всего, наличие шероховатостей приводит к появлению состояний метастабильного равновесия системы. Соответственно статические краевые углы могут существенно отличаться от равновесного краевого угла. Вместе с тем макрокраевые углы на шероховатой поверхности зависят от направления течения жидкости, поскольку положение линии смачивания в состояниях метастабильного равновесия различно при натекании и оттекании. Следовательно, шероховатость представляет одну из основных причин гистерезиса смачивания [75, 76]. Характерно в связи с этим, что при смачивании жидкостей (например, ртути) гистерезис краевых углов практически отсутствует. [c.60] Для расчета краевых углов на шероховатой поверхности при течении жидкости поперек микроканавок необходимо оценить высоту потенциальных барьеров, которые разделяют соседние положения метастабильного равновесия жидкости. В одной из расчетных схем [77] поверхность твердого тела рассматривается как совокупность концентрически расположенных микроканавок и микровыступов. Предполагается, что микрорельеф можно аппроксимировать синусоидой. Точка начального контакта капли с твердым телом находится в общем центре кольцевых канавок и выступов. [c.60] Высота потенциального барьера между состояниями метастабильного равновесия растет с увеличением высоты микронеровностей. Поэтому в соответствии с теорией [77] при увеличении коэффициента шероховатости гистерезис краевых углов должен возрастать как при 00 90°, так и при 0о 90° в обоих случаях увеличиваются краевые углы натекания и уменьшаются краевые углы оттекания (рис. П. 8). Аналогичные зависимости получены экспериментально — при контакте глицерина, этиленгликоля, ме-тилцеллюлозы с парафином [79], воды и водных растворов этилового спирта с полимерными фторуглеродными пленками [80], воды, иодистого метилена, гексадекана с тефлоном и парафином [81]. [c.61] Если жидкость не проникает до дна канавок, ее уровень оказывается гораздо ближе к вершине гребня, чем при заполнении канавок жидкостью. В результате существенно снижается энергетический барьер, разделяющий соседние положения метастабильного равновесия капли. Поэтому при образовании композитной поверхности на границе жидкость — твердое тело макрокраевой угол гораздо слабее зависит от коэффициента шероховатости. Этот вывод подтверждает, например, следующий эксперимент. [c.63] На стеклянные пластины напылялись частицы метанолового теломера тетрафторэтилена, диспергированные в трихлортрифтор-этилене. Далее наносился тонкий слой раствора этого же тело-мера в гексане. После испарения растворителя получалась шероховатая поверхность, на которой измеряли краевые углы натекания и оттекания воды и иодистого метилена при 24 °С. В соответствии с приведенным выше выводом при увеличении коэффициента шероховатости до некоторого критического значения /Скр поверхность контакта твердого тела с жидкостью становилась композитной (под каплей появлялись пузырьки воздуха) и макрокраевой угол 0ш скачкообразно увеличивался при дальнейшем увеличении шероховатости он почти не изменялся и одновременно резко уменьшался гистерезис краевых углов (рис. П. 9) [81]. [c.63] Вернуться к основной статье