Transcript Fö 2-Vätning

Kontaktvinkelmätning
Balansera de horisontella krafterna:
γ
lv
Vätska (l)
θ
γ
sl
Fast (s)
Alternativ härledning av Youngs ekvation
γ sv = γ sl + γ lv cos θ
Luft (v)
γ
sv
Youngs
ekvation:
γ − γ sl
cos θ = sv
γ lv
γsv – γsl < 0
γsv – γsl > 0
γlv ≈ γsv – γsl
θ > 90°
0° < θ < 90°
θ ≈ 0°
θ
θ
dσ cos θ
γsv
I jämvikt, när ingen fortsatt expansion (eller kontraktion) sker, är dG = 0:
γ ls dσ + γ lv dσ cos θ − γ sv dσ = 0
⇒
Hur beter sig
en vätska på
en yta?
Kontaktvinkelhysteres
a
γsl
dσ
cos θ =
”Högenergiyta”
Den kontaktvinkel som
mäts beror på åt vilket håll
trefaslinjen rör sig över ytan:
θ
dG = γ ls dσ + γ lv dσ cos θ − γ sv dσ
θ
”Lågenergiyta”
Betrakta ändringen i fri energi
dG under en infinitesimal
expansion dσ av droppen:
γlv
γ sv − γ sl
γ lv
Vätbarhet och hydrofobicitet
Vätbarhet
(en ytegenskap)
En vätskas benägenhet att sprida sig över en yta.
r
Väter dåligt
Kontaktvinkelhysteres:
∆θ = θa > θr
θa > θr
”Advancing”
Väter bra
”Receding”
Hysteresen uppstår på grund av kemisk eller
topografisk inhomogenitet på ytan.
θr
Hysteresen uppstår när trefaslinjen ”fastnar” i
metastabila tillstånd svarande mot lokala
energiminima. Dessa uppstår eftersom det finns
flera punkter längs ytan där den geometriska
kontaktvinkeln är ekvivalent med Youngs vinkel.
θa
OBS!
Begreppen hydrofil
och hydrofob
används ofta för att
beskriva vätbarhet!
θ
Hydrofilicitet / Hydrofobicitet
(bulkegenskaper)
Ett materials förmåga att uppta (absorbera) vatten.
Hydrofobt
Zisman-plot och kritisk ytspänning
Bestämning av γsv och γsl är svårt för fasta ytor!
Hydrofilt
Ytspänningens komponenter
Ytspänning orsakas av intermolekylära krafter (eller avsaknad av dessa över
gränsskiktet), och ytspänningen kan delas upp i bidrag från respektive kraft:
Enligt Zisman är ytenergin lika
med ytspänningen hos den
vätska med högst ytenergi som
helt väter den fasta ytan.
cos θ slv = 1 − β (γ lv − γ c )
Välj γlv från en homolog serie av
vätskor, och plotta cosθ mot γlv
så erhålls en rät linje vars
skärning med cosθ = 1 ger den
kritiska ytspänningen γc.
β
beror på systemet,
typiskt 0.03 - 0.04 m/mN
γc
Dispersiva bidrag
LW = Lifshitz/van der Waals
γ = γ LW + γ AB
Polära bidrag
AB = Acid/Base
γ+ = Acceptor-bidrag (Lewis-syra)
γ− = Donator-bidrag (Lewis-bas)
γ l AB = 2 γ +γ −
Bestämning av γsv med kontaktvinklar
Enligt van Oss och Good* gäller för kontaktvinkeln på en yta att:
γ l (1 + cos θ ) = 2
(
γ s LW γ l LW + γ s +γ l − + γ s −γ l +
)
Tre vätskor med olika egenskaper ger följande system:
(γ
(1 + cos θ ) = 2 ( γ
(1 + cos θ ) = 2 ( γ
γ l1 (1 + cos θ1 ) = 2
γ l2
γ l3
LW
s
2
s
3
s
γ l1LW + γ s +γ l1− + γ s −γ l1+
+
−
−
+ γ s γ l2 + γ s γ l2
)
+
LW
γl2
LW
γ l 3 LW + γ s +γ l 3− + γ s −γ l 3+
LW
Vatten som rinner uppåt...?
Vätbarhetsgradienter!
)
)
= 0 för den opolära
vätskan, ger γsLW direkt
Sökt: γsLW , γs+ , γs- Tre obekanta, tre ekvationer...!
Mäts
* Det finns flera olika modeller för hur γs kan uppskattas
van Oss, Adv. Colloid Interface Sci., 28, 35 (1987);
Good, Fundamentals of Adhesion New York:Plenum press (1991).
Chaudhury, Science, 256, 1539 (1992)
Lotus-effekten
Kontaktvinklar på strukturerade ytor
Young
cos θ =
En “superhydrofob” yta
Wentzel
γ sv − γ sl
γ lv
cos θ = R ⋅
R=
”Tvättning” av bladet:
Partiklar har större adhesion
till en vattendroppe än till
bladet, och rinner av med
vattnet.
Bestämning av ”effektiv” ytsammansättning
Betrakta en komposityta, eller ett blandat monolager
Cassies lag:
cos θ = ∑ f i cos θi
i =1
γ sv − γ sl
γ lv
n
∑f
i =1
i
=1
θi är kontaktvinkeln för en ren yta bestående av komponent i,
och fi är fraktionen av komponent i hos kompositen.
Verklig area
Projicerad area
Genzer, Biofouling, 22, 339 (2006)
cos θ
cos θ = f1 cos θ1 + f 2 cos θ 2
cos θ 2
f1 + f 2 = 1
 γ − γ sl 
= −1 + φs  sv
+ 1
 γ lv

φs =
Ytfraktionen av
vätskan som är
i kontakt med ytan.
Effektiva vinkeln θ∗ > θ om
porerna är fyllda med luft.
Superhydrofobicitet
A) Vatten på pressgjuten polypropylen (PP),
kontaktvinkel 104°.
(B) Vatten på superhydrofob PP, kontaktvinkel 160°.
[20 mg/ml PP löstes i 60% p-xylen/40% MEK vid 100°C,
varefter lösningsmedlet avdunstats vid 70°C i en vakuumugn.]
Exempel, en binär komposityta:
cos θ1
cos θ * = −1 + φs [ cos θ + 1]
Ojämnhet på ytan...
Ökar vätningen för θ < 90°
Minskar vätningen för θ < 90°
Cheng, Appl. Phys. Lett. 86 144101 (2005)
n
Cassie(-Baxter)
(C) SEM-bild av den
superhydrofoba ytan.
C
Erbil et al., Science 299, 1377 (2003)