Инверсия смачиваемости поверхности

Инверсия смачиваемости поверхности заключается в качественном изменении смачиваемости поверхности за счет адсорбции ПАВ на твердой поверхности.

Природу поверхности твердого тела, а значит, и характер смачивания можно изменить путем модифицирования поверхности, например, проведя её химическую обработку. Адсорбция ПАВ влияет не только на величину, но даже на знак cosθ (но не всегда! — см. б) . Если в процессе обработки поверхности происходит изменение смачиваемости на противоположное, говорят об инверсии поверхности. Концентрация раствора ПАВ, при которой это происходит, называется точкой инверсии (т. О).

а б

cosθ cosθ

о с

с

Рис.2.43. Изменение смачиваемости поверхности

Если увеличить концентрацию обрабатывающего вещества выше оптимальной, при которой образуется монослой, то можно получить противоположный результат из-за образования полислоя на поверхности:

cosθ cosθ

с

Рис.2.44. Изменение смачиваемости поверхности при образовании полислоев

Это может привести ко второй точке инверсии.

При управлении избирательным смачиванием ПАВ можно вводить как в водную, так и в масляную фазы. В зависимости от природы ПАВ можно осуществляться как гидрофилизация, так и гидрофобизация поверхности.

Для этого используют маслорастворимые ПАВ или водорастворимые ПАВ. При этом возможно полное растекание масляной фазы на границе т/вода и полное оттеснение последней и наоборот.

Н₂О Н₂О

с₆н₆

Н₂О

с₆н₆

Рис. 2.45. Олеофилизация поверхности при использовании маслорастворимых ПАВ

Один из широко распространенных способов изменения свойств поверхности основан на адсорбции поверхностно-активных веществ. Влияние ПАВ на смачивание зависит от того, на какой поверхности раздела фаз они адсорбируются - на твердой поверхности или на поверхности жидкость - газ. Если поверхность твердого тела гидрофобная, то из водных растворов ПАВ адсорбируются и на твердой поверхности, и на границе раствор - газ, ориентируясь при этом в соответствии с правилом выравнивания полярностей Ребиндера. В результате значения s_жг и s_тж уменьшаются, твердая поверхность становится менее гидрофобной. Происходит гидрофилизация поверхности. Может вообще произойти переход от несмачивания к смачиванию, т.е. инверсия смачивания.

Если поверхность твердого тела гидрофильная, вода хорошо смачивает её, и адсорбция ПАВ в основном происходит на границе жидкость-газ. В этом случае изменение Q связано с уменьшением s_жг.

Возможность изменить природу поверхности твердого тела, придавая ей гидрофильность или гидрофобность, широко используют в полиграфической технологии при изготовлении форм офсетной печати. Для получения на поверхности формы печатающих элементов, которые должны хорошо смачиваться неполярной краской и плохо смачиваться водой (увлажняющим раствором), используют вещества, ориентирующиеся при адсорбции так, чтобы в сторону жидкости были обращены неполярные группы.

Рис.2.46. Ориентация молекул ПАВ на печатающих элементах формы плоской печати

Для большей устойчивости полученной гидрофобной пленки необходимо, чтобы адсорбция указанных веществ была химической. Следует отметить, что только в этом случае и возможна указанная ориентация молекул – согласно правилу полярностей Ребиндера в сторону воды должны ориентироваться полярные группы. Взаимодействие молекул воды с углеводородными радикалами ПАВ слабее, чем с металлом, и поверхность формы гидрофобизуется. На рис.2.47. приведена зависимость cosQ смачивания водой поверхности меди, предварительно обработанной олеатом натрия, от концентрации олеата натрия. Видно, что при С₁ достигается инверсия смачивания: гидрофильная поверхность становится гидрофобной.

Рис.2.47.Зависимость краевого угла смачивания поверхности медной пластины водой от концентрации С олеата натрия. С_оп – оптимальная концентрация, выше которой увеличивать С не имеет смысла, С₁ – концентрация инверсии смачивания.

(Из практикума). Механизм инверсии связан с определенной ориентацией ПАВ в адсорбционном слое. На этом основано изготовление форм плоской печати в полиграфической технологии

Для получения на поверхности формы печатающих элементов, которые хорошо смачиваются неполярной краской и плохо смачиваются водой, используют вещества, ориентирующиеся при адсорбции так, что в сторону смачивающей жидкости обращены неполярные группы. Взаимодействие молекул воды с углеводородными радикалами ПАВ слабее, чем с металлом, и поверхность становится более гидрофобной. Для большей устойчивости полученной гидрофобной пленки необходимо, чтобы адсорбция была химической. В качестве гидрофобизующих агентов обычно используют соли жирных кислот: олеат натрия), БКК и т.д.

Гидрофобность поверхности (краевой угол смачивания θ) зависит от величины адсорбции ПАВ: чем больше адсорбция, тем хуже смачивается поверхность и тем больше θ. Наиболее гидрофобная поверхность металла получается при полном покрытии поверхности формы адсорбатом, т.е. при адсорбции Г_∞. Наименьшую С_опт (оптимальную) концентрацию адсорбата, при которой достигается адсорбция, близкая к Г_∞, обычно определяют экспериментально.

С этой целью пластины меди обрабатывают растворами олеата натрия различной концентрации С, промывают их, высушивают и определяют на каждой из них краевой угол смачивания θ. По полученным данным строят изотерму смачивания cosθ = f(C), и по ней определяют оптимальную концентрацию гидрофобизующего агента так, как это показано на рис.1.а.

а б

Рис.. Изотерма смачивания – (а) и кривая кинетики гидрофобизацш поверхности меди – (б).

Образование на формах плоской печати пробельных элементов, хорошо смачиваемых водой (увлажняющим раствором), сводится к получению устойчивой гидрофильной пленки на поверхности металла. Для этого поверхность формы обрабатывают растворами электролитов (обычно ортофосфорной кислоты и её солей) или растворами полярных полимеров (крахмала, декстрина, КМЦ натрия и т.д.). Гидрофилизация поверхности происходит вследствие адсорбции указанных веществ и ориентации их молекул полярными группами в сторону воды.

Например, гидрофилизацию поверхности алюминия осуществляют с помощью ортофосфорной кислоты: Н₃Р0₄ химически взаимодействует с оксидной пленкой поверхности металла:

А1₂0₃ + 2Н₃Р0₄ = 2А1Р0₄ + ЗН₂0.

а б

Рис.. Изотерма смачивания – (а) и кривая кинетики гидрофилизации поверхности алюминия – (б)

В результате на пробельных элементах формы образуется тонкая солевая микропленка фосфата алюминия, практически нерастворимая в воде, которая улучшает смачивание поверхности увлажняющим раствором (водой).

Зависимость cosθ от концентрации раствора Н₃РО₄ (изотерма смачивания поверхности алюминия водой) изображена на рис. 6.2.а. Концентрация H₃PO₄ должна быть вполне определенной, так как в избытке кислоты происходит образование кислых солей Al₂(HPO₄)₃, Al(H₂PO₄)₃, растворяющихся в воде, вследствие чего достигнутая смачиваемость поверхности ухудшается.