Лабораторные работы и задачи по коллоидной химии - Фролов Ю. Г.
Скачать (прямая ссылка):
24
Таблица I. 3. Экспериментальные и расчетные данные определения работы смачивания и адгезии
Номер колбы Концентрация раствора ПАВ, моль/л Измеряемый параметр для расчета °ж-г 3 Ч Й о Диаметр основания капли, дел. Нысота капли, дел. cos 8 S Ч "s ч
«1 »1 An
Измерения краевых углов и поверхностного натяжения для каждой концентрации ПАВ проводят три раза и значения 6 и стж.г находят как среднее арифметическое. По формулам (I. 14) и (1.50) рассчитывают работу смачивания Ц7См и адгезии VI/л для каждого раствора. Экспериментальные и расчетные данные записывают в таблицу (см. табл. I. 3).
Строят изотерму смачивания соз6 = /(сПАВ) и кривую зависимости работы смачивания от концентрации, по ним определяют, при какой концентрации ПАВ поверхность исследуемого полимера становится гидрофильной, т. е. находят точку инверсии смачивания.
Работа 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТИЧЕСКОГО НАТЯЖЕНИЯ СМАЧИВАНИЯ НЕПОЛЯРНЫХ ПОЛИМЕРОВ
Цель работы: изучение влияния поверхностного натяжения жидкостей на смачивание твердых тел; определение поверхностного натяжения полимерных материалов и оценка для них работы адгезии.
Экспериментальное определение поверхностного натяжения жидкостей обычно не вызывает затруднений. Достаточно надежных методов определения поверхностного натяжения на границе твердое тело — газ <Тт-г и твердое тело — жидкость стт-ж нет, поэтому для оценки их значений используют косвенные методы. Один из таких методов заключается в определении критического поверхностного натяжения смачивания сткР. Критическое поверхностное натяжение акр находят по зависимости косинуса краевого угла натекания cos6НТ (6НТ — статический краевой угол, образующийся при натекании жидкости на твердую поверхность) от поверхностного натяжения жидкости на границе с воздухом стж.г, Для многих твердых (низкоэнергетических) поверхностей при уменьшении поверхностного натяжения смачивающей жидкости косинус краевого угла cos 0НТ линейно увеличивается. Это позволяет экстраполированием прямой cos 9НТ = f (стж-г) до пересечения с прямой cos бит = 1, параллельной оси абсцисс, находить значение сгж.г, при котором достигается полное смачивание данной твердой поверхности. Полученное значение стж.г является критическим поверхностным натяжением смачивания.
Величина акр практически не зависит от природы и свойств смачивающих жидкостей, и в основном определяется свойствами смачиваемого твердого тела. Можно принять, что акр соответствует его поверхностному натяжению, т. е. ак„ == стт.г. Это положение подтверждается правилом Антонова, согласно которому межфазное натяжение на
25
границе двух песмешивающихся жидкостей равно разности поверхностных натяжений взаимно насыщенных жидкостей на границе их с воздухом. Применительно к взаимодействию жидкости с твердой поверхностью, когда она полностью смачивается, согласно этому правилу получаем:
рт-ж = °"ж-г - °т-г (L53)
В то же время из уравнения Юнга (I. 13) при условии полного смачивания твердой поверхности (cos 0 = 1) имеем:
°т-ж = «т-г - °ж-, 54)
Следовательно, при полном смачивании твердого тела:
ат-р = <?ж-г
И (I- 55)
Следует отметить, что равенство (I. 55) соблюдается не всегда, поскольку для его выполнения необходимо, чтобы межфазное натяжение 0т-ж было равно пулю или хотя бы стт-г и стж.г значительно превышали значение <тт.ж. Как правило, это условие реализуется лишь для пизко-энергетических поверхностей, а для высокоэнергетических поверхностей не выполняется. Поэтому для них корреляции между значениями поверхностных натяжений ат.т и огкр не наблюдается.
Определив критическое поверхностное натяжение смачивания окр, можно также рассчитать работу адгезии Wa- При линейной зависимости cos 6ЯХ = f (ож.г) можно записать, что
cos 0,lr = 1 - Ь (аж.г - 0кр) (I. 56)
где Ъ — тангенс угла наклона прямой cos Опт = / (а ) к осп абсцисс.
Если твердая поверхность достаточно однородна и практически не имеет шероховатостей, экспериментально измеряемые статические углы 011Т близки к равновесным краевым углам 8Р. Поэтому в соответствии с уравнениями (1.14) и (1.56) имеем:
^а = ^ж-г(2 + Ч<Р)-^ж-г (1-57)
Уравнение (1.57) для Wa представляет собой уравнение параболы, вершина которой находится при ож.г = 1/Ь + 0,5сткр. Таким образом, максимальная работа адгезии равна
макс = I/* +°кр + 0.25&<, (1.58)
Соотношения (1.57) и (1.58) хорошо согласуются с экспериментальными данными для многих систем.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Для проведения работы необходимы:
Установка для измерения краевого угла.
Прибор для измерения поверхностного натяжения жидкости. Комические колбы с притертыми пробками емкостью 50 мл. Мнкрошпрнц или пипетка с капиллярным кончиком.
26
Пластинки полимера, например фторопласта, политрифторэтилена или полиэтилена.
Жидкости с различным поверхностным натяжением.
Определяют краевые углы 9НТ при смачивании полимера чистыми жидкостями с различным поверхностным натяжением. Подготовку исследуемых полимерных пластинок и определение краевых углов проводят по методике, приведенной в работе 3. Краевой угол для каждой жидкости измеряют три раза и значение 9НТ находят как среднее арифметическое.
