смачивание

СМАЧИВАНИЕ

поверхностное явление, наблюдаемое при контакте жидкости с твердым телом в присутствии третьей фазы-газа (пара) или др. жидкости, которая не смешивается с первой (т. наз. избирательное С.). Характерная особенность С. — наличие линий контакта трех фаз (линии С.).

Осн. термодинамич. характеристики С. — равновесный краевой угол смачивания q₀ (см. капиллярные явления), работа адгезии W_a, теплота С. q_W. Равновесный краевой угол С. определяется наклоном поверхности жидкости (напр., капли) к смоченной ею поверхности твердого тела; вершина угла находится на линии С. Равновесный краевой угол определяется уравнением Юнга:

cosq₀ = (σ_s-σ_sl)/σ_sl,

где σ_s и σ_sl — соотв. уд. своб. поверхностные энергии твердого тела на границе с газом и в контакте со смачивающей жидкостью, σ_l-поверхностное натяжение жидкости. При наличии на поверхности твердого тела тонких смачивающих пленок толщиной h краевой угол С. определяется, согласно теории Фрумкина-Дерягина, уравнением:

где П -расклинивающее давление.

Работа адгезии W_a = σ_s + σ_l — σ_ls (уравнение Дюпре). Она характеризует работу, необходимую для изотермич. отделения слоя смачивающей жидкости с единицы поверхности твердого тела (см. адгезия). Теплота С. q_W = H_sl — H_s, где H_sl и H_s-энтальпии, отнесенные к единице поверхностей раздела твердое тело-жидкость и твердое тело-газ. Она наз. также теплотой иммерсии (погружения).

Различают три случая контактного взаимод. жидкостей с поверхностью твердых тел: 1) несмачивание, когда 180° > q₀ > 90° (напр., ртуть на стекле, вода на парафине): 2) ограниченное С., когда 90° > q₀ > 0° (напр., вода на оксидах металлов); 3) полное С., 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 поверхности твердого тела: шероховатостями (микрорельеф), хим. неоднородностью (гетерогенность), наличием пор, локальными деформациями вблизи линий С. (они достаточно заметны при С. тел с малыми модулями упругости). Шероховатость и др. дефекты твердой поверхности приводят к тому, что краевой угол С. зависит от условии формирования, напр. при натекании жидкости на "сухую" подложку и при оттекании жидкости с предварительно смоченной поверхности; это-гистерезис С. Краевые углы С. изменяются также со скоростью натекания жидкости.

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

С. 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 С. 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 С. основаны гл. обр. на изменении уд. поверхностных энергий σ_s и σ_sl, а также поверхностного натяжения жидкости σ_l. Физ. метод основан на электрич. поляризации, связанной с зависимостью поверхностного натяжения электрода от его электрич. потенциала (электрокапиллярность), воздействии электрич. и магн. полей, изменении температуры, обработки поверхности твердых тел ионизирующими излучениями. Наиб. универсальный метод регулирования С. 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 σ_sl. Предварит. выдержка образцов данного твердого материала в растворе ПАВ приводит к образованию на его поверхности адсорбц. слоев, которые 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 С. 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}