Диссертация (Фазовый массоперенос жидкостей в производстве флексографских форм и струйной печати), страница 3

После того, как капля жидкости помещается на твердое тело,показатель краевого угла претерпевает изменения от начальной точки доконечной. Эта деформация получила название «гистерезис смачивания».На гистерезис смачивания влияют различные факторы, среди которых:- Длительность контакта жидкости с твердым телом или с другой жидкостью;- Структура поверхности;- Физические свойства жидкости и др.Окружающие условия и объективные факторы определяют тип гистерезиса,который бывает статическим и динамическим.

Гистерезис первого типаобусловлен заменой одной жидкости на другую, растеканием капли поповерхности, при изменении свойств той или иной фазы, участвующей всмачивании.Динамический гистерезис проявляется при движении капли жидкости вкапиллярах и по наклонной поверхности (Рисунок 1.3).14а)б)Рисунок 1.3 - Динамический гистерезис при нахождении капли на наклоннойповерхности (а) и при движении между двумя параллельными поверхностями (б).θ А - угол натекания, θ R - угол оттекания.Движение капли по наклонной поверхности характеризуется изменениемвеличины отступающего и наступающего краевого угла капли лишь в том случае,если угол увеличения меняется. В другом случае краевые углы нижней и верхнейчасти капли неизменны (Рисунок 1.3а).Экспериментальным путем установлено [3], что на гистерезис краевого углавлияют и размеры капли, которая находится на наклонной поверхности –увеличение диаметра капли жидкости провоцирует уменьшение отступающегоугла и, напротив, увеличение наступающего.

На Рисунке 1.3б видно, как меняетсяуглы θ А и θ R при изменении угла наклона. Стоит заметить, что свойства жидкости невлияют существенно на максимальную величину наступающего краевого угла.Таким образом, разность показателей наступающих и отступающих угловпроявляется в гистерезисе смачивания. Наступающий угол обычно большеотступающего.Одним из важнейших критериев, влияющих на гистерезис смачивания,является структура поверхности твердого тела. К примеру, шероховатостьповерхности заставляет жидкость контактировать с большей площадью твердоготела, в сравнении с идеально гладкой поверхностью.

Номинальная площадь, тоесть площадь контакта капли жидкости с идеально ровной поверхностью,соотносится с фактической площадью, и это соотношение выражается вкоэффициенте К, который показывает степень увеличения фактической площади, а,15следовательно, и поверхностной энергией. Коэффициент К не может быть равен илименьше единицы.Учитывая, что поверхностная энергия и поверхностное натяжение равны,вычисление краевого угла капли, помещенной на неоднородную (шероховатую)поверхность, можно написать так:и = (Т/Г − Т/Ж) /Ж/Гилии = н ,(1.3)где θи , θн – истинный и наблюдаемый краевые углы смачивания.Уравнение 1.4, которое было получено в результате экспериментов Р. Венцеля,а позже теоретически обосновано Б.В.

Дерягиным, описывает угол смачивания нашероховатой поверхности и в науке получило название уравнение Венцеля –Дерягина [1]. Исследования показали, что краевой угол капли жидкости,смачивающейданнуюповерхность,уменьшаетсяпрямопропорциональноувеличению шероховатости. Проще говоря, краевой угол на гладкой поверхностивсегда меньше аналогичного показателя на шероховатой поверхности. Следовательно,смачиваемость можно регулировать изменением показателя шероховатости.Понимание эффекта смачивания пористых систем зависит от знаниямеханизмов проникновения жидкости в капилляры. Вначале следует рассмотретьтермодинамические основы этого явления.

С одной стороны, это не дастосознания ни кинетических особенностей процесса, ни информации о глубинепроникновения жидкости в пористую систему. С другой стороны, термодинамикадаст ответы на общие вопросы, касающиеся впитывания жидкости в пористуюструктуру. Это объясняет важность термодинамического подхода к изучениювопроса впитывания жидкости в пористую структуру. Это обуславливает ипопыткиисследователейнайтисвязьмеждукосинусомкраевогоугла,особенностями поверхностного натяжения и другими термодинамическимихарактеристиками, и пропитывающими качествами жидкости.16Процесс пропитывания, то есть заполнения пустот в пористом теле,возможен только тогда, когда он сопровождается убылью свободной энергииГиббса G системы пористое тело - пропитывающая жидкость, то есть когда справедливо соотношение [2]:∆ = 2,3 2.3 + 1.2 ∆1.2 + 1.3 ∆1.3 < 0(1.4)где σ 1,2 , σ 1,3 , σ 2,3 и ∆S 1,2 , ∆S 1,3 , ∆S 2,3 - удельные свободные поверхностныеэнергии и изменения величины поверхности на границах раздела жидкость — газ,жидкость — твердое тело и газ — твердое тело соответственно.Учитывая, что при погружении пористого тела в жидкость и полномзаполнении жидкостью капилляров ∆S 1,2 = 0 и ∆S 2,3 = - ∆S 1,3 , условие можнозаписать как2,3 − 1,3 > 0(1.5)Вследствие трудности теоретической и экспериментальной оценки величинσ 2,3 и σ 1,3 , разность σ 2,3 - σ 1,3 в неравенстве 1.5 целесообразно заменить черезσ 1,2 cos θ .Тогда:1,2 > 0(1.6)Воюцкий и Ябко [4] попытались установить, насколько пропитывающиесвойстваразличныхжидкостейкоррелируютсрассмотреннымитермо-динамическими характеристиками.

В качестве пропитывающих жидкостей быливзяты спирто-водные смеси и различные невязкие органические жидкости.Пропитываемым материалом служила трехслойная хлопчатобумажная тканькирза, которая благодаря своей плотности представляет особенно удобный объектдля исследования процесса проникновения жидкости в ткань. Пропитывающуюспособность жидкости оценивали с помощью так называемого метода «мокрогопривеса», заключающегося в определении привеса образца ткани послепребывания его в течение определенного времени в заданных условиях впропиточной ванне.

Так как для опытов были использованы жидкости различногоудельного веса, то полученные результаты определения мокрого привеса были17пересчитаны на объемные соотношения, выражающие отношение объемовданной жидкости и воды, поглощенных тканью.Краевой угол определяли путем нанесения капли испытуемой жидкости наповерхность субстрата и проецирования капли на экран. Определение краевогоугла непосредственно на ткани, как уже указывалось в предыдущей главе,нецелесообразно из-за шероховатости ткани, ведущей к большому гистерезису, икапиллярного всасывания, искажающего результаты измерения.

Поэтому авторыприменили в своем исследовании условный субстрат — нитропленку. Можнодумать, что в работе, имевшей задачу установить лишь качественныезакономерности,использованиеданных,полученныхсприменениемнитропленки, вполне допустимо. Нет никаких оснований считать, что в случаенанесения на ткань капли жидкости по их способности образовывать краевой уголрасположится в иной ряд, чем при нанесении капли на нитропленку.В работе [4] было установлено, что термодинамическая характеристикажидкостей не коррелирует с пропитывающей способностью. Однако все жеимеетсяявнаятенденцияулучшенияпропитываниясуменьшениемповерхностного натяжения жидкости.Соответствие между термодинамическими характеристиками и пропитывающими свойствами индивидуальных жидкостей изучали также Панич иВоюцкий [5].

Методика, принятая в их опытах, была в основном той же, что и вработе [4]. Однако Панич и Воюцкий для характеристики способности жидкостейпропитывать кирзу использовали не только метод мокрого привеса, но и методсухогоиндикатора.Этотметодзаключаетсявопределениивремени,необходимого для проникновения жидкости сквозь помещенную на поверхностижидкости ткань, на которой появляются темные пятна, образующиеся вследствиеувлажнения порошка красителя, нанесенного на верхнюю сторону образца.В работе Панич и Воюцкого [5] при пропитывании индивидуальнымижидкостями различной природы не наблюдалось корреляции между термодинамическими характеристиками и пропитывающей способностью18Панич и Воюцкий [5] исследовали также пропитывание кирзы смесями двухжидкостей: воды и уксусной кислоты.

С уменьшением поверхностногонатяжения, увеличением cosθ и снижением работы смачивания пленок авторынаблюдали постепенное улучшение пропитывающей способности.Если опустить конец узкой (капиллярной) трубки в сосуд с жидкостью,смачивающей стенки трубки, то жидкость, стремясь растечься по поверхноститрубки, поднимается по ее внутренним и внешним стенкам так, как это показанона Рисунке 1.4. При этом внутри трубки, если она достаточно узкая, образуетсясферический мениск. Введем следующие обозначения: r k — радиус капилляра и θ— краевой угол, образуемый жидкостью на внутренней поверхности трубки, изависящий как от свойств жидкости, так и от свойств вещества, из которогосделан капилляр.

Нетрудно показать, что радиус кривизны сферическойповерхности мениска r m должен быть равен радиусу капилляра, деленному наcosθ.М =(1.7)В соответствии с условиями капиллярности давление капилляра выше надвогнутой поверхностью жидкости, нежели над плоской.По уравнению Лапласа можно найти давление при полном и неполномсмачивании.Уравнение Лапласа:При неполном смачивании = =2(1.8)2(1.9)Капиллярное давление имеет определенную силу, поднимая жидкостьвверх, при этом r k расположено в центре сферической поверхности мениска.19Впоследствии выталкивающее давление жидкости, при поднятии ее до некойвысоты уравновешивается при помощи веса столба жидкости.

В данном случае,высота столба жидкости — h max , тогда a g — ускорение свободного падения, γ —плотность жидкости, следовательно:Тогда h max будет равно:Уравнение1.11не2= ℎℎ =является2однозначным,(1.10)(1.11)т.к.расчетбудетприблизительным, поскольку нет учета плотности газа (воздуха). Из уравнения(1.11) видно, что h max поднятия жидкости обратно пропорциональна радиусукапилляра и прямо пропорциональна произведению σcosθ. Для случаев состеклянными капиллярами и водой наблюдается смачивание стенок капилляра,при этом краевой угол должен равняться нолю, а cosθ =1, тогда имеем:ℎ =2(1.12)При определении поверхностного натяжения жидкости через высоту ееподнятия в капилляре необходимым условием будет полное смачивание стеноккапилляров этой жидкостью, поскольку при θ=0 метод капилляра более точен.20Рисунок 1.4 Пояснение поднятия жидкости в капилляре при смачиваниистенок жидкостьюВ случае, когда жидкость не смачивает поверхность капилляра, при θ >90°,то, cosθ будет отрицательным, следовательно, h max тоже отрицательна и,соответственно жидкость в капилляре опускается.

Примерами этого могутслужить: вода в капиллярах с гидрофобными стенками и ртуть в стеклянномкапилляре.Когда радиус трубки имеет большую величину, тогда уже мениск не будетсферическим, и, следовательно, уравнение 1.12 нуждается в поправочныхкоэффициентах.Автор Шульце [6] исследовал капилляры с различными сеченияминеправильной формы. Для опыта он опускал капилляр в жидкость, образовалисьнесколько языков жидкости, поднимающихся вдоль стенок капилляра малогорадиуса кривизны. Заметно было поднятие жидкости до более высокого уровня вкапилляре с круглым сечением соответствующей площади. При заполнениижидкостью капилляра не имеет значения уменьшение высоты мениска, а именноее уменьшение до минимума из-за расширения капилляра.