Таким образом, адгезию жидкости и смачивание можно изменять не только за счет модификации свойств твердых поверхностей путем их гидрофобизации или гидрофилизации, но и за счет регулирования поверхностного натяжения жидкости. Эти две возможности заложены в основу практического применения адгезии жидкости и смачивания в таких процессах, как пропитка, экстракция и очистка поверхностей от загрязнений.
Адгезия и иммерсионное смачивание определяют остаточное количество жидкости после опорожнения резервуаров. Это остаточное количество для некоторых соков в случае гидрофильной стеклянной поверхности составляет 43,5 - 61,1 см3 продукта на 1 м2 поверхности. На гидрофобном полиэтилене остаточное количество снижается до 30,7 - 38.5 см3/м2, т. е. более чем в 1,5 раза. В данном случае адгезия снижается за счет изменения свойств твердой поверхности.
Смачивание порошков определяет процесс пропитки. Оно зависит от их структуры - размеров частиц, упаковки, пористости и других параметров. Опытным путем установлено, что для смачивания водой и перевода сухих молочных полуфабрикатов в растворимый продукт краевой угол должен составлять 40-650.
Если процесс пропитки связан с заполнением жидкостью пор, то при экстракции происходит извлечение одной жидкостью (растворителем) другой из порового пространства. Экстракция растительного масла при помощи растворителей из порового пространства частиц сырья, так же как и пропитка, зависит от свойств материала и жидкости.
Полнота извлечения продукта при экстракции зависит от поверхностного натяжения sжг, вязкости и плотности растворителя. Для извлечения оливкового и соевого масла в качестве растворителя более эффективным, чем ацетон и гексан, оказался тетрахлорид углерода СС14.
Адгезия жидкости и смачивание определяют качество лакокрасочных покрытий, надежность клеевых соединений, а также эффективность очистки от загрязнений любых поверхностей, в том числе оборудования и домашних предметов; кроме того, они определяют эффективность сопутствующих процессов.
Так, смачивание поверхности зерна водой имеет непосредственное отношение к очистке зерна от примесей и определяет время пребывания продукта в моечных машинах. Смачивание зерна водой зависит от сорта зерна, структуры и кривизны его поверхности, особенностей предшествующей обработки зерна, природы загрязнений и других факторов. Для различных сортов пшеницы краевой угол составляет 65 - 1000. Подобные значения краевых углов свидетельствуют о том, что поверхность зерна является близкой к гидрофобной или гидрофобной и плохо смачиваемой водой.
Сопутствующими являются процессы, связанные с образованием пузырьков. Подобные процессы имеют место в бродильном производстве, при получении сахара из сахарных сиропов и во всех других случаях, когда в жидкости, представляющей собой суспензию или золь, образуются пузырьки газа или воздуха.
Таким образом, при рассмотрении вопросов адгезии, можно убедиться, что в том или ином виде адгезия проявляется по отношению к многим объектам и сопутствует технологическим процессам в различных отраслях промышленности.
Инверсия смачивания заключается в качественном ее изменении за счет адсорбции ПАВ на твердой поверхности. Путем добавления ПАВ удается гидрофилизировать гидрофобные поверхности, и вызвать их смачивание водой и другими полярными жидкостями либо придавать гидрофобные свойства первоначально гидрофильной поверхности и делать ее плохо смачивающейся водой. Адсорбция ПАВ на твердой поверхности влияет не только на величину, но и знак cosq. Зависимость cosq от концентрации поверхностно-активного называется изотермой смачивания (рис. 3). Кривая пересекает ось абсцисс в точке, соответствующей такой концентрации ПАВ, при которой cosq=0. Точку А пересечения изотермы смачивания с осью концентраций ПАВ называют точкой инверсии смачивания.
Рис. 3. Изотерма смачивания поверхности стекла растворами ПАВ разных концентраций.
Механизм инверсии смачивания связан с определенной ориентацией молекул ПАВ в адсорбционном слое. Если твердая поверхность первоначально гидрофильна, то адсорбированные молекулы взаимодействуют своими полярными группами с поверхностью, а неполярными цепями обращаются наружу, вследствие чего твердая поверхность становится гидрофобной. Например, при погружении стеклянной пластинки в раствор стеариновой кислоты в октане или бензоле на поверхности пластинки образуется монослой стеариновой кислоты. Адсорбированные молекулы кислоты на пластинке ориентируются неполярными цепями наружу, придавая поверхности гидрофобные свойства.
В противоположном случае, когда твердая поверхность гидрофобна, адсорбированные на ней молекулы ПАВ обращаются к твердому материалу своими углеводородными цепями, а полярными группами - наружу. Поверхность становится гидрофильной.
Об изменении характера взаимодействия твердой поверхности со смачивающей жидкостью в результате адсорбции ПАВ можно судить по работе смачивания Wсм. Работа смачивания определяется как разность sтг - sтж. Поскольку достаточно надежных методов измерения поверхностного натяжения на границе с твердыми телами нет, для расчета Wсм удобнее использовать следующее уравнение:
Wсм= sжг cosθ (19)
Нетрудно заметить, что работа смачивания в зависимости от знака косинуса краевого угла может быть либо положительной, либо отрицательной. Отсюда следует, что в зависимости от ориентации молекул ПАВ на межфазной поверхности при адсорбции может измениться не только абсолютная величина работы смачивания, но и ее знак.
ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ
Примечание. При исследовании смачивания большое значение имеет чистота пластинок, пипеток, шприцов, а также посуды, с помощью которой готовят растворы. Даже небольшое загрязнение может существенно повлиять на результаты измерений. Поэтому пластинки следует брать аккуратно только за угол или ребро, а шприцы при смене раствора необходимо каждый раз тщательно промывать.
1. Методика измерения краевых углов
Методика изучения смачивания путем измерения краевого угла заключается в том, что исследуемая жидкость, помещенная на твердую поверхность, по отношению к которой нужно определить краевой угол, освещается сбоку сильным источником света и проектируется на экран.
Измерения проводят следующим образом. Исследуемую пластинку помещают на подставку в проекторе. Капля наносится на поверхность пластинки при помощи шприца. Включают лампу осветителя. Лампу следует включать только на время измерения. Перемещая влево и вправо фокусирующий винт, добиваются резкого изображения профиля пластинки на экране.
Для измерения краевых углов нужно получить увеличенное изображение силуэта капли. Последнее можно достичь при помощи проекционного фонаря, поставленного в горизонтальное положение. Для этого каплю жидкости помещают в место, где должен быть расположен диапозитив. Увеличенное изображение проектируется на экран, на который прикрепляют миллиметровую бумагу. Карандашом обрисовывают проекцию капли. Краевой угол, входящий в формулы для расчета работы адгезии и смачивания, находят по основным размерам капель жидкости, наносимых на пластинки двумя способами:
1) по высоте h и диаметру основания d. Значения cosθ рассчитывают по формуле
При d/2<h можно использовать более простую формулу
2) проводят касательную к капле (см. рис. 2) и с помощью транспортира измеряют угол, отсчитывая его со стороны водной фазы.
2. Влияние адсорбционных слоев на смачиваемость алюминия
Для опытов по гидрофилизации и гидрофобизации поверхности отбирают 8 алюминиевых пластинок, которые при повторных опытах дают краевые углы, отличающиеся друг от друга не более чем на 5-60.
Для наблюдения гидрофилизации поверхности алюминия пластинки погружают в растворы танина с концентрациями 1, 0.5, 0.1 и 0.01 % и выдерживают их в течение 10-20 мин. Затем пластинки вынимают с помощью пинцета, удерживая за края. Избыток раствора танина удаляют с пластинок фильтровальной бумагой и высушивают над плиткой в потоке теплого воздуха (близко пластинку к плитке не подносить!). На каждую высушенную пластинку наносят каплю воды и определяют краевой угол смачивания, как описано выше в разделе 1. На основании полученных данных строят изотерму смачивания, откладывая на оси абсцисс величину концентрации танина, а по оси ординат значения соs θ (см. рис. 3) и определяют точку инверсии.
Гидрофобизацию поверхности алюминия проводят путем погружения пластинок в растворы стеариновой кислоты с концентрацией: 1, 0.5, 0.1, 0.01 %. Алюминиевые пластинки погружают в эти растворы на 10-20 мин, затем вынимают, удаляют избыток кислоты фильтровальной бумагой, высушивают и определяют краевой угол смачивания, как описано выше. На основании полученных данных строят изотерму смачивания, откладывая на оси абсцисс концентрацию стеариновой кислоты, а на оси ординат значения соs θ (см. рис. 3) и определяют точку инверсии.
3. Получение «мокрого» парафина
Алюминиевую пластинку опускают на несколько секунд в расплавленный парафин и затем осторожно вынимают из него пинцетом. На пластинку, покрытую тонким слоем застывшего парафина, наносят капли воды и измеряют краевой угол смачивания. Затем на эту же пластинку поочередно наносят капли раствора танина с концентрациями 0.01, 0.1, 0.5 и 1 % и измеряют краевой угол смачивания. На основании полученных данных строят изотерму смачивания, откладывая на оси абсцисс концентрацию стеариновой кислоты, а на оси ординат значения соs θ (см. рис. 3). На графике показывают концентрацию танина, при которой парафин делается «мокрым», т. е. точку инверсии.
4. Отчет по работе
1. Представить проекции капель воды на пластинках, покрытых
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 |
Основные порталы (построено редакторами)