Смачивание

Смачивание представляет собой процесс, при котором жидкость распространяется по поверхности твердого тела. Этот процесс определяется взаимодействием между молекулами жидкости и молекулами твердой поверхности. Ключевым параметром, характеризующим смачивание, является угол контакта, который образуется на границе жидкость–твердое тело–газ (обычно воздух).

Угол контакта θ определяется уравнением Юнга:

γ_SG = γ_SL + γ_LGcos θ

где:

• γ_SG — поверхностное натяжение между твердой поверхностью и газом,
• γ_SL — поверхностное натяжение на границе твердая поверхность–жидкость,
• γ_LG — поверхностное натяжение жидкости,
• θ — угол контакта на границе тройной линии.

Если угол θ < 90°, поверхность называется смачиваемой, жидкость распространяется по поверхности. Если θ > 90°, поверхность несмачиваемая, жидкость формирует капли и не растекается.

---

Механизмы и факторы смачивания

1. Физическое смачивание Определяется дисперсионными и ван-дер-ваальсовыми силами между молекулами жидкости и поверхности. Примеры: вода на стекле, масла на металле.

2. Химическое смачивание Связано с образованием химических связей между молекулами жидкости и твердой поверхностью. Пример: кислотное смачивание металлов растворами.

3. Геометрические и структурные факторы

   • Шероховатость поверхности: увеличивает эффективную площадь контакта. На шероховатых поверхностях угол контакта может уменьшаться (эффект Веттингса–Карри).
   • Пористость: пористые материалы способствуют капиллярному проникновению жидкости, увеличивая смачивание.

4. Температура Повышение температуры обычно снижает поверхностное натяжение жидкости, что увеличивает скорость и степень смачивания.

5. Состав жидкости Полярные жидкости (например, вода) лучше смачивают полярные поверхности, неполярные жидкости (углеводороды) — неполярные поверхности.

---

Динамика процесса смачивания

Смачивание не является мгновенным процессом и проходит через несколько этапов:

1. Начальная адгезия Молекулы жидкости прилипают к поверхности благодаря межмолекулярным взаимодействиям.

2. Растекание Жидкость распространяется по поверхности, угол контакта уменьшается до равновесного значения.

3. Капиллярное проникновение На шероховатых или пористых поверхностях жидкость может проникать в микропоры, поддерживая движение фронта жидкости.

Динамика растекания описывается законом Тилера:

R(t) ∼ t^1/10

где R(t) — радиус контактной линии капли на поверхности в момент времени t.

---

Контактная линия и гистерезис

Контактная линия — это граница между жидкостью, твердой поверхностью и газом. Важным явлением является гистерезис угла контакта: угол контакта при распространении жидкости (θ_a) отличается от угла при её оттекании (θ_r). Гистерезис обусловлен:

• микронеровностями поверхности,
• химической неоднородностью,
• адсорбцией молекул жидкости на поверхности.

Гистерезис влияет на устойчивость капель, процессы смачивания и отталкивания.

---

Капиллярные эффекты и смачивание

На шероховатых и пористых поверхностях смачивание тесно связано с капиллярными силами. Давление в капилляре определяется уравнением Лапласа:

$$ \Delta P = \gamma \left(\frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2}\right) $$

где R₁ и R₂ — радиусы кривизны поверхности жидкости.

Капиллярное проникновение жидкости в поры или трещины может быть описано законом Лавуазье–Жакобса:

$$ h(t) = \sqrt{\frac{2\gamma \cos\theta}{\eta} t} $$

где h(t) — высота поднятия жидкости в поре, η — вязкость, γ — поверхностное натяжение, θ — угол контакта.

---

Практическое значение смачивания

• Материаловедение и адгезия: контроль смачивания важен для покрытия металлов, полимеров, стекла.
• Капиллярные технологии: бумажные фильтры, микрофлюидные устройства.
• Гидрофобные и супер-гидрофобные поверхности: создаются для самоочищения, защиты от коррозии и уменьшения трения.
• Промышленная химия: смачивание играет ключевую роль в крашении тканей, нанесении покрытий, пропитке материалов.