ВИЗНАЧЕННЯ КУТА ЗМОЧУВАННЯ МАТЕРІАЛІВ

Лабораторна робота №3

Мета роботи: Набути практичних навичок визначення кута змочування матеріалів за допомогою мікроскопу з кутовимірним модулем.

Теоретичні відомості:

Гідрофільність поверхні матеріалу визначається значенням кута змочування її водою. Для матеріалів у формі плівок, брусків безпосереднє вимірювання цього кута можливе при виконанні умов чистоти поверхні (вона повинна бути вільною від бруду, пилу), суцільності матеріалу (відсутність тріщин та пор, які діють як капіляри), та невеликого часу експерименту (з часом крапля речовини деформується під дією сил тяжіння, випаровування води та взаємодії з субстратом).

При виконанні всіх цих умов методика безпосереднього вимірювання кута змочування дозволяє отримувати результати з великою точністю (помилка складає не більше 0,5 % від значення кута).

Кут змочування поверхні є комплексним параметром та пов’язує між собою такі величини як поверхнева енергія рідини, субстрату та атмосфери. Під поверхневою енергією тут розуміється поверхневий натяг σ, що виникає на межі поділу фаз. Згідно значенню кута змочування рідинами, поверхні поділяються на гідрофільні та гідрофобні (Рис.1).

Рис. 1. Змочування гідрофобної поверхні неполярною рідиною (а) та полярною рідиною (б)

1 – повітря; 2 – рідина; 3 – поверхня; θ - кут змочування.

Вираз для кута змочування можна записати наступним чином:

(1)

де σ_3-1 – між фазний поверхневий натяг матеріал-повітря; σ_2-3 – рідина – матеріал; σ_2-1 – рідина-повітря.

Вираз (1) має назву рівняння Юнга. Воно добре ілюструє залежність значення кута змочування від поверхневої енергії. Наприклад, вода має досить високе значення поверхневого натягу (0,072 Н/м) в порівнянні з гексаном (0,018 Н/м). Відповідно, навіть гідрофільні речовини досить добре змочуються гексаном.

Значення енергії взаємодії різних речовин визначається їх спорідненістю. Мірою спорідненості може бути полярність. Полярними називають такі речовини, які містять в своєму складі полярні групи. Для органічних речовин це карбоксильна група в складі кислот (СООН), гідроксильна група в складі спиртів (ОН), аміногрупи (NH₂), групи естерів та етерів (ОСОО та СОС) та інші. Для мінеральних поверхонь це кислотні та основні центри. Неполярними вважають вуглець-водневі групи, сульфіди металів. Гідрофобними зазвичай є елементарні речовини, наприклад сірка, ртуть, деякі метали при відсутності домішок.

Безпосереднє вимірювання кута змочування можливо здійснювати шляхом проектування контурів краплі на екран, але більш зручним і практичнішим є використання мікроскопу з кутовимірним модулем.

Матеріали (зразки):

Полімерні матеріали у вигляді плівок (20*20 мм), дистильована вода.

Прилади та інструменти:

Мікроскоп з кутовимірним модулем, інсуліновий шприц.

Методика роботи:

Одержують зразок полімеру, після чого здійснюють підготовку його поверхні до вимірювання. Для цього з неї видаляють залишки бруду та пилу за допомогою фільтрувального паперу, обережно протирають папером, змоченим в ацетоні (для видалення залишків жирів), потім знову сухим папером і витримують невеликий час на повітрі до висихання.

Зразок вміщують на платформу мікроскопа. Схема приладу показана на Рис.

Рис. 2. Схема пристрою для вимірювання кута змочування. 1 – платформа; 2 – зразок; 3 – крапля води; 4 – призма заломлення; 5 – джерело світла; 6, 8 – важелі регулювання положення об’єктиву мікроскопа; 7 – мікроскоп; 9 – індикатор кута обертання; 10 – окуляр.

Після цього за допомогою інсуліновим шприцом на поверхню зразка обережно наносять краплю рідини, за допомогою важелів знаходять її і розташовують посередині зображення в окулярі. Вимірювання кута здійснюють обертанням вісі, нанесеної на об’єктив мікроскопу за допомогою диференційного гвинта.

Спостереження занотовують наступним чином (Табл.):

Таблиця. Результати вимірювання.

Для виконання лабораторної роботи слід зробити вимірювання кута змочування водою принаймні трьох матеріалів.

Висновки:

формулюються як результат лабораторної роботи та містять:

- значення кутів змочування матеріалів;

- порівняння гідрофільності матеріалів (визначення більш гідрофільних);

- вашу думку щодо надійності та точності метода;

Контрольні питання:

1. Які фактори заважають безпосередньому визначенню гідрофільності матеріалів?

2. Який матеріал буде краще змочуватися бензолом (неполярний розчинник) – парафін або скло?

3. Яку функцію виконує призма (поз. 4 на Рис.) в конструкції кутовимірного пристрою?

4. Наведіть рівняння Юнга з розкриттям значення всіх величин, які входять в нього.

5. Як зміниться гідрофільність паперу, якщо він буде просочений олією?

6. У яких ситуаціях щодо поліграфічної технології може бути застосованим вивчений метод?

7. Як зміниться гідрофільність (гідрофобність) поліолефінової (поліетилен, поліпропілен) плівки після її активації (коронний розряд, полум’я)?

8. Як мають відрізнятися поверхні лакованого і нелакованого фарбовідбитків?

Поиск по сайту: