РОЗДІЛ 2
РОЗРОБКА УДОСКОНАЛЕНИХ МЕТОДИК ВИМІРЮВАННЯ ПОВЕРХНЕВОГО НАТЯГУ НА ОСНОВІ РЕЗУЛЬТАТІВ ВИМІРЮВАННЯ ГЕОМЕТРИЧНИХ ПАРАМЕТРІВ ЛЕЖАЧОЇ КРАПЛІ
З метою розробки удосконалених методик вимірювання поверхневого натягу на межі розділу рідина - оточуючий газ шляхом вимірювання відповідних геометричних параметрів лежачої краплі, які б дозволили автоматизувати процес вимірювання цих параметрів і розрахунок значення поверхневого натягу, дослідити залежність поверхневого натягу від часу існування межі розділу, необхідно одержати математичний опис процесу утворення лежачої краплі. Отримані у результаті залежності дадуть можливість розрахувати конкретні значення відповідних параметрів лежачої краплі для усього діапазону реальних рідких фаз, що, у свою чергу, сприятиме розробці методики контролю.
Крім цього, вказане дасть можливість сформулювати вимоги до приладу в цілому з метою реалізації у ньому удосконалених методик визначення поверхневого натягу.
2.1. Утворення краплі у процесі вимірювання поверхневого натягу методом лежачої краплі
Метод лежачої краплі полягає у формуванні краплі рідини на горизонтальній підкладці із однорідною змочуваністю або на верхньому торці вертикально встановленого товстостінного капіляра чи капіляра із загостреною кромкою (так званого ножового капіляра) та інтерпретації форми меридіанного перерізу утвореної краплі [32].
Формування краплі рідини на горизонтально встановленій підкладці у даній роботі не розглядається, оскільки на форму краплі впливає крайовий кут змочування, що порушує осесиметричність краплі. На практиці дослідник може стикнутися з різними випадками неповного змочування (крайовий кут змочування може бути як більшим, так і меншим за 90?). Для проведення вимірювань значно прийнятніший перший випадок, оскільки він характеризується наявністю екваторіального радіуса у краплі. Форма верхньої частини краплі має більшу осеву симетрію (звичайно, за умови вертикального напряму дії сили гравітації), ніж нижня. Форма нижньої частини краплі більше залежить від величини крайового кута змочування, визначити істинне значення якого часто буває не легко. Причини цього полягають у наступному (для проведення досліджень важливе значення має не сам факт існування крайового кута змочування, а його сталість уздовж лінії основи краплі, що забезпечити практично неможливо) [4 ].
По-перше, на крайовий кут можуть впливати залишки речовин, що забруднюють поверхню, оскільки різка зміна змочування відбувається вже при утворенні на поверхні мономолекулярного шару, для чого потрібна мізерна кількість забруднюючої речовини.
По-друге, багато речовин, наприклад, метали добре окислюються, що веде до утворення на їхній поверхні дуже тонкої плівки окислів. Ця плівка також може впливати на величину крайового кута, отже і на форму краплі у випадку <90?. Тому при проведенні вимірювань на поверхнях твердих тілі потрібно використовувати незабруднені і неокислені поверхні.
По-третє, поверхні, як правило, добре адсорбують повітря. Адсорбоване повітря сповільнює процес розтікання рідини по поверхні твердого тіла, оскільки для витіснення повітря з поверхні і встановлення рівноважного крайового кута потрібен певний час.
По-четверте, на змочування твердого тіла може впливати шорсткість його поверхні, причому чим більша шорсткість, тим різкіше проявляються властивості поверхні щодо притягання або відштовхування рідин. Подібне явище можна пояснити тим, що при <90? рідина потрапляє у заглиблення поверхні подібно до того, як вона всмоктується у змочувані нею капіляри. Зрозуміло, що це покращує змочування. При >90? рідина не потрапляє у заглиблення, що погіршує змочування. Іншими словами, у випадку гідрофільної поверхні шорсткість надає поверхні ніби ще більшої гідрофільності, а у випадку гідрофобної поверхні шорсткість сприятиме збільшенню її гідрофобності. Для виключення впливу мікрорельєфу на результати вимірювання поверхня, на якій буде сформована крапля, повинна бути як можна гладкішою (Rz=0,08-0,1 мкм).
Згідно із другим законом Лапласа, поверхні рідини і твердого тіла контактують під сталим кутом. Його визначають як границю кута між нормалями до поверхонь твердого тіла і рідини при зближенні їх основ до лінії перетину рідкої і твердої поверхонь. Дається також визначення цього кута як границі двогранного кута між площинами, дотичними до поверхонь, що не змінює суті цієї величини [3].
Розглянемо випадок отримання краплі на торці товстостінного вертикально встановленого змочуваного рідиною капіляра (рис. 1а).
а) б)
Рис. 2.1. Утворення краплі на торці товстостінного капіляра:
а) рідина змочує капіляр; б) рідина не змочує капіляр
Нехай в початковий момент меніск рідини знаходиться всередині циліндричного отвору капіляра (пол. 1). У результаті подачі рідини у капіляр, наприклад, за допомогою джерела із постійною витратою, що задається, меніск почне переміщуватися вгору по каналу. При цьому крайовий кут між стінкою отвору капіляра і меніском у точці їх дотику через рідину буде кутом натікання і буде меншим за 90?. Досягнувши верхньої кромки на торці капіляра, кривизна поверхні почне зменшуватися, зберігаючи при цьому незмінним (пол.3). У відповідний момент часу меніск, здійснюючи рух по внутрішній кромці вихідного отвору, може прийняти горизонтальну форму, при цьому залишатиметься незмінним (пол. 4).
На рис. 1а, 1б внутрішня і зовнішня кромки верхнього торця капіляра показані заокругленими тому, що гранично таку форму мають усі навіть найретельніше оброблені капіляри, що використовуються для визначення поверхневого натягу рідин методом лежачої краплі. Перемістившись на горизонтальну поверхню верхнього торця капіляра меніск досягне деякого положення 7, при якому кут контакту рідини із торцем капіляра буде рівним .
Подальше збільшення об'єму краплі веде до переміщення її на зовнішню кромку верхнього торця капіляра. При цьому сама кромка починає відігравати роль шарні