Smáčivost – Povrchová volná energie

Pod pojmem smáčivost se obecně rozumí míra smáčení daného povrchu konkrétní kapalinou. Fyzikální veličinou, která určuje tuto vlastnost je tzv. Povrchová volná energie (anglicky Surface free energy – SFE). Ta vyplývá ze zastoupení jednotlivých typů nenasycených fyzikálních mezimolekulárních vazeb na měřeném povrchu. V případě vzájemného kontaktu dvou pevných látek se začíná uplatňovat celá řada dalších fyzikálních mechanizmů jako například tření, mechanické kotvení, difuze aj. Určení vlivů na ulpívání jedné pevné (viskózní) látky na druhé je tak mnohem složitějším problémem.

V případě smáčení kapalinami se problematika rozděluje na dva směry. Chceme-li docílit dobrého smáčení povrchu, například když potřebujeme na povrch nanést ochranný nátěr barvy, je nezbytné dosáhnout povrchu s co nejvyšší povrchovou volnou energií (s co nejvyšší mírou nenasycených povrchových vazeb), který bude dobře smáčen a kapalina něm může vytvořit souvislý film. Nejlepších výsledků při zvyšování SFE povrchů se dosahuje pomocí povrchových úprav plazmatem, plamenem, nebo koronou.
Opačným příkladem je snaha o zabránění ulpívání kapalin na povrchu, kdy se snažíme dosáhnout co nejnižší SFE. Povrch je považován za nesmáčivý pro danou kapalinu, pokud tato na povrchu vytváří kulové kapky s kontaktním úhlem (CA) větším než 90°. V případě smáčení vodou se takový povrch označuje jako hydrofobní. U povrchů, které jsou danou kapalinu výrazně nesmáčivé (CA > 150°) může být pozorován také tzv. self-cleaning effect, kdy kapky které po povrchu kloužou, na sebe „nabalují“ volné nečistoty (prach atd.) a strhávají je pryč z povrchu. Takové povrchy se pak nazývají superhydrofobní. Pro snižování SFE je využíváno zejména nanášení různých typů povlaků (PTFE, PVD povlaky, vosky atd.) s nízkou SFE.

Měření

Nejrozšířenější metodikou stanovování SFE je měření úhlů smáčení metodou přilehlé kapky, kdy na měřený povrch nanášíme kapky různých kapalin, u kterých známe zastoupení jejich vazeb. Nejběžněji používanými analytickými kapalinami jsou demineralizovaná voda (polární kapalina) a dijódmethan (nepolární kapalina). Po vytvoření kapky opticky měříme tzv. kontaktní úhel (značíme θ), který je výsledkem silové rovnováhy na třífázovém rozhraní pevná látka – kapalina – plyn. Změřený úhel pak dosadíme do tzv. Youngovy rovnice, která popisuje tuto rovnováhu.

Kde γ_s je povrchové napětí pevné látky, γ_l povrchvé napětí kapaliny a γ_sl napětí mezi pevnou látkou a kapalinou. Pro dopočítání složek SFE z Youngovy rovnice lze využít několik teoretických modelů, které se liší podle uvažovaných interakcí mezi povrchem a kapalinou. Nepoužívanějšími modely jsou Fowkesův model, který dělí interakce na disperzní a ne-disperzní. Model OWRK dělící interakce na disperzní a polární. A Acido-bazický, který dělí interakce na kyselou a bazickou složku. Námi zvolený je nejpoužívanější model – OWRK. Interakce mezi povrchem a kapalinou si proto rozdělíme na polární γ^p, které reprezentují relativně silné vazby (vodíkový můstek, reakce donor-akceptor) a dispezní γ^d, která představuje řádově slabší vazby (Van der Waalsovy vazby, interakce dipól-dipól aj.). Jejich součet pak udává celkovou hodnotu SFE – γ^tot.
Pro reálné smáčení povrchu kapalinou je pak zcela zásadní míra shody zastoupení jejich polárních a disperzních vazeb (viz ).

Bezesporu nejznámější nesmáčivou vrstvou používanou pro zabránění ulpívání a korozní ochranu v širokém spektru aplikací je polytetrafluoretylen (PTFE) známější pod obchodním názvem Teflon™. Ten má na povrchu stabilní nasycené vazby uhlíku s fluorem, díky čemuž vykazuje nesmáčivost vůči většině kapalin a značnou chemickou inertnost. Jeho nedostatkem je však nízká tvrdost a teplotní stabilita. V těchto vlastnostech pak naopak vynikají PVD vrstvy, které však obecně nedosahují tak nízkých hodnot SFE (rozuměj nízké „míry smáčení“) jako PTFE. Oproti nepovlakovaným povrchům technických materiálů, však mohou dosahovat SFE značně nižších (viz ). Některé konkrétní PVD vrstvy (např. CrN, ta-C, kovová skla aj.) tak vykazují vhodnou kombinaci všech těchto vlastností pro širokou škálu aplikací.

Hodnoty

Odkazy

https://en.wikipedia.org/wiki/Surface_energy

LUGSCHEIDER, E a BOBZIN, K. The influence on surface free energy of PVD-coatings. Online. Surface & coatings technology. 2001, roč. 142, s. 755-760. ISSN 0257-8972. Dostupné z: https://doi.org/10.1016/S0257-8972(01)01315-9. [cit. 2024-07-23].