Zwilżalność – Swobodna energia powierzchniowa
Wyraża zdolność wybranej cieczy do zwilżania określonej powierzchni. Zwilżalność powierzchni można w pewnym stopniu modyfikować za pomocą warstw.
Termin zwilżalność ogólnie odnosi się do stopnia zwilżenia danej powierzchni przez określoną ciecz. Wielkością fizyczną określającą tę cechę jest tzw. swobodna energia powierzchniowa (ang. Surface free energy – SFE). Jest ona wypadkową obecności różnych typów nienasyconych fizycznych wiązań międzycząsteczkowych na mierzonej powierzchni. Kiedy dwa ciała stałe wchodzą ze sobą w kontakt, zaczyna działać szereg innych mechanizmów fizycznych, takich jak tarcie, kotwienie mechaniczne, dyfuzja itp. Określenie skutków przywierania jednego ciała stałego (lepkiego) do drugiego jest zatem znacznie bardziej złożonym problemem.
W przypadku zwilżania cieczą kwestia ta dzieli się na dwa kierunki. Aby uzyskać dobre zwilżenie powierzchni, na przykład gdy na powierzchnię ma zostać nałożona farba ochronna, konieczne jest uzyskanie powierzchni o możliwie najwyższej swobodnej energii powierzchniowej (z najwyższym możliwym poziomem nienasyconych wiązań powierzchniowych), która będzie dobrze zwilżona i umożliwi cieczy utworzenie jednolitej warstwy. Najlepsze wyniki w zwiększaniu SFE powierzchni uzyskuje się poprzez obróbkę plazmową, płomieniową lub koronową.
Odwrotnym przykładem jest zapobieganie przywieraniu cieczy do powierzchni poprzez próbę osiągnięcia najniższego możliwego SFE. Powierzchnia jest uważana za niezwilżalną dla danej cieczy, jeśli tworzy ona na powierzchni kuliste krople o kącie styku (CA) większym niż 90°. W przypadku zwilżania wodą taką powierzchnię określa się jako hydrofobową. W przypadku powierzchni, które dla danej cieczy są wyraźnie niezwilżalne (CA > 150°), można również zaobserwować tzw. self-cleaning effect, kiedy krople ślizgające się po powierzchni „zbierają” luźne zanieczyszczenia (kurz itp.) i ściągają je z powierzchni. Takie powierzchnie nazywane są wówczas superhydrofobowymi. W celu zmniejszenia SFE stosuje się różne rodzaje powłok (PTFE, powłoki PVD, woski itp.) o niskim współczynniku SFE.
Pomiary
Najczęściej stosowaną metodologią określania SFE jest pomiar kątów zwilżania przy użyciu metody siedzącej kropli, w której na badaną powierzchnię nanosimy krople różnych cieczy o znanych wartościach napięcia powierzchniowego. Najczęściej stosowanymi cieczami analitycznymi są woda demineralizowana (ciecz polarna) i dijodometan (ciecz niepolarna). Po uformowaniu kropli mierzymy optycznie tak zwany kąt zwilżania (oznaczany θ), który jest wynikiem równowagi sił na granicy faz ciało stałe-ciecz-gaz. Zmierzony kąt jest następnie wprowadzany do tzw. równania Younga, które opisuje tę równowagę.
Gdzie γs to napięcie powierzchniowe ciała stałego, γl to napięcie powierzchniowe cieczy, a γsl to napięcie między ciałem stałym a cieczą. Do obliczenia składowych SFE z równania Younga można wykorzystać kilka modeli teoretycznych, które różnią się w zależności od rozważanych interakcji powierzchnia-płyn. Najczęściej stosowane to model Fowkesa, który dzieli interakcje na dyspersyjne i niedyspersyjne. Model OWRK dzieli interakcje na dyspersyjne i polarne. I kwasowo-zasadowy, który dzieli interakcje na składniki kwasowe i zasadowe. My wybraliśmy najczęściej używany model – OWRK. W związku z tym oddziaływania między powierzchnią a płynem dzielimy na polarne γpktóre reprezentują stosunkowo silne wiązania (mostki wodorowe, reakcje donor-akceptor) i dyspersyjne γdktóre reprezentują o rząd wielkości słabsze wiązania (wiązania Van der Waalsa, oddziaływania dipol-dipol itp.). Ich suma daje następnie całkowitą wartość SFE – γtot.
Dla realnego zwilżania powierzchni przez ciecz, dość kluczowy jest więc stopień zgodności reprezentacji ich wiązań polarnych i dyspersyjnych (zob. ).
Rys.1: Schematyczne przedstawienie wpływu składowych swobodnej energii powierzchniowej powierzchni i cieczy na kąt zwilżenia kropli.
Niewątpliwie najbardziej znaną powłoką niezwilżalną stosowaną do ochrony przed przyleganiem i korozją w szerokim zakresie zastosowań jest politetrafluoroetylen (PTFE), znany powszechnie pod nazwą handlową Teflon™. Posiada na powierzchni stabilne nasycone wiązania węgiel-fluor, co sprawia, że nie jest zwilżalny przez większość cieczy i jest chemicznie obojętny. Jego wadą jest jednak niska twardość i stabilność temperaturowa. Jeśli chodzi o te cechy, tu wyróżniają się warstwy PVD, które jednak generalnie nie osiągają tak niskich wartości SFE (tj. niskich „współczynników zwilżania”) jak PTFE. W porównaniu do niepowlekanych powierzchni materiałów technicznych, SFE mogą być jednak znacznie niższe (zob. ). Niektóre konkretne powłoki PVD (np. CrN, Ta-C, szkła metaliczne itp.) wykazują zatem odpowiednią kombinację wszystkich tych właściwości dla szerokiego zakresu zastosowań.
Wartości
Linki
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. Dostępne na: https://doi.org/10.1016/S0257-8972(01)01315-9. [cit. 2024-07-23].