Смачивание

СМАЧИВАНИЕ, поверхностное явление, наблюдаемое при контакте жидкости с твердым телом в присут. третьей фазы-газа (пара) или др. жидкости, к-рая не смешивается с первой (т. наз. избирательное смачивание). Характерная особенность смачивания-наличие линий контакта трех фаз (линии смачивания).

Осн. термодинамич. характеристики смачивания-равновесный краевой угол смачивания q₀ (см. Капиллярные явления), работа адгезии W_a, теплота смачивания q_W. Равновесный краевой угол смачивания определяется наклоном пов-сти жидкости (напр., капли) к смоченной ею пов-сти твердого тела; вершина угла находится на линии смачивания. Равновесный краевой угол определяется ур-нием Юнга:

cosq₀ = (s_s-s_sl)/s_sl,

где s_s и s_sl-соотв. уд. своб. поверхностные энергии твердого тела на границе с газом и в контакте со смачивающей жидкостью, s_l-поверхностное натяжение жидкости. При наличии на пов-сти твердого тела тонких смачивающих пленок толщиной h краевой угол смачивания определяется, согласно теории Фрумкина-Дерягина, ур-нием:

где П -расклинивающее давление.

Работа адгезии W_a = s_s + s_l - s_ls (ур-ние Дюпре). Она характеризует работу, необходимую для изотермич. отделения слоя смачивающей жидкости с единицы пов-сти твердого тела (см. Адгезия). Теплота смачивания q_W = H_sl — H_s, где H_sl и Н_s-энтальпии, отнесенные к единице пов-стей раздела твердое тело-жидкость и твердое тело-газ. Она наз. также теплотой иммерсии (погружения).

Различают три случая контактного взаимод. жидкостей с пов-стью твердых тел: 1) несмачивание, когда 180° > q₀ > 90° (напр., ртуть на стекле, вода на парафине): 2) ограниченное смачивание, когда 90° > q₀ > 0° (напр., вода на оксидах металлов); 3) полное смачивание, когда капля растекается в тонкую пленку (ртуть на свинце). Измеряемые на практике краевые углы q часто отличаются от термодинамич. равновесных значений q₀. Эти расхождения обусловлены гл. обр. дефектами пов-сти твердого тела: шероховатостями (микрорельеф), хим. неоднородностью (гетерогенность), наличием пор, локальными деформациями вблизи линий смачивания (они достаточно заметны при смачивании тел с малыми модулями упругости). Шероховатость и др. дефекты твердой пов-сти приводят к тому, что краевой угол смачивания зависит от условии формирования, напр. при натекании жидкости на "сухую" подложку и при оттекании жидкости с предварительно смоченной пов-сти; это-гистерезис смачивания. Краевые углы смачивания изменяются также со скоростью натекания жидкости.

Смачивание оказывает значит. влияние на мн. технол. и прир. процессы. Смачивающие жидкости образуют в капиллярах вогнутые мениски, благодаря чему жидкость поднимается на высоту L = 2s_l cos q/rgr (r - плотность жидкости, g - ускорение своб. падения, r-радиус капиллярной трубки). При несмачивании образуется выпуклый мениск и имеет место капиллярная депрессия (опускание жидкости). Т. обр., от степени смачивания зависит пропитка и сушка пористых материалов.

Смачивание влияет также на степень перегрева и переохлаждения при фазовых переходах (кипении, конденсации, плавлении, кристаллизации). Это связано с тем, что работа гетерог. образования критич. зародыша новой фазы максимальна при полном несмачивании, а при полном смачивании она минимальна. В частности, для предотвращения образования тромбов в кровеносных сосудах материалы для протезирования сосудов не должны смачиваться кровью. Важную роль играет смачивание при флотац. обогащении и разделении горных пород, вытекании нефти из пластов, отмывании загрязнений (см. Моющее действие), нанесении пленок и покрытий, шайке металлов и др. материалов, спекании порошков, течении жидкости в условиях невесомости и др.

Методы регулирования смачивания основаны гл. обр. на изменении уд. поверхностных энергий s_s и s_sl, а также поверхностного натяжения жидкости s_l. Физ. метод основан на электрич. поляризации, связанной с зависимостью поверхностного натяжения электрода от его электрич. потенциала (электрокапиллярность), воздействии электрич. и магн. полей, изменении т-ры, обработки пов-сти твердых тел ионизирующими излучениями. Наиб. универсальный метод регулирования смачивания состоит в использовании поверхностно-активных веществ (ПАВ). Растворение ПАВ в жидкости уменьшает ее поверхностное натяжение; вместе с тем возможна адсорбция ПАВ на границе твердое тело-жидкость с соответствующим изменением поверхностной энергии s_sl. Предварит. выдержка образцов данного твердого материала в р-ре ПАВ приводит к образованию на его пов-сти адсорбц. слоев, к-рые могут частично или полностью "экранировать" ее. Такое модифицирующее действие позволяет качественно менять характер контактного взаимод. жидкости с твердым телом. Можно, напр., гидрофобизировать гидрофильные материалы или, напротив, гидрофилизировать гидрофобные подложки. Осн. закономерности изменения смачивания с помощью ПАВ и использования этих эффектов в разл. технол. процессах (флотации, полиграфии, моющем действии и др.) обоснованы в трудах П. А. Ребиндера.

Лит.: Сумм Б. Д., Горюнов Ю. В., Физико-химические основы смачивания и растекания, М., 1976; Ребиндер П. А., Избр. труды. Поверхностные явления в дисперсных системах. Коллоидная химия, М., 1978; Дерягин Б. В., Чураев Н. В., Смачивающие пленки, М., 1984; Де Жен П., "Успехи физ. наук", 1987, т. 151, в. 4, с. 619-81. Б. Д. Сумм.