Физические основы смачивающей способности

При разработке и подборе жидкостей для капиллярной дефектоскопии (пенетрантов и очистителей) исследуют их различные физические и дефектоскопические свойства: поверхностное натяжение, вязкость, растворяющую способность, диффузионные и цветовые характеристики, коррозионную активность и т.д. Среди этих свойств одним из наиболее важных является смачивающая способность жидкостей.

В физике под смачивающей способностью жидкостей понимают проявление взаимодействия молекул на трехфазной границе существования твердой, жидкой и газообразной фаз, выражающееся в растекании жидкости по поверхности твердого тела и образовании устойчивой поверхности раздела жидкость – твердое тело.

Если жидкость касается твердого тела, то силы взаимодействия молекул жидкости между собой могут быть либо меньше, либо больше сил их взаимодействия с молекулами твердого тела. В первом случае наблюдается смачивание твердого тела, во втором – несмачивание. При нахождении в капилляре смачивающая жидкость представляет собой вогнутый мениск (рис. 1.4, а). Несмачивающая жидкость образует выпуклый мениск (рис. 1.4, б). Краевой угол q между плоскостью, касательной к поверхности жидкости, и поверхностью стенки в точке границы смачивания называется углом смачивания. Угол отсчитывают внутрь жидкости.

а	б
Рис. 1.4. Вогнутый (а) и выпуклый (б) мениски в капиллярных трубках, наполненных соответственно смачивающей и несмачивающей жидкостями

При cos q = 1 наблюдается полное смачивание, а при cos q = –1 – полное несмачивание. Существенное влияние на смачивание оказывает шероховатость поверхности – с ее повышением смачивание улучшается.

Явление смачивания тесно связано с явлением поверхностного натяжения. Поверхностное натяжение является следствием действия силы, называемой внутренним давлением, которая стягивает молекулы внутрь жидкости в направлении, перпендикулярном ее поверхности.

Лучшее смачивание обеспечивают жидкости с малым поверхностным натяжением и небольшой вязкостью. В дефектоскопии используются в основном жидкости с относительно низким поверхностным натяжением 0, 02...0, 03 Н/м и вязкостью
3× 10^-6...5× 10^-6 м²/с.

При неполном смачивании (жидкость по поверхности не растекается, а капля стремится принять сферическую форму) смачивающую способность жидкости оценивают с помощью равновесного краевого угла смачивания q на плоскости, для которого справедливо уравнение Юнга:

cos q = , (1.1)

где: s_т.г. – поверхностное натяжение на границе тело – газ (воздух); s_т.ж – поверхностное натяжение на границе твердое тело – жидкость; s_ж.г – поверхностное натяжение на границе жидкость – газ.

При полном смачивании (жидкость растекается по поверхности вплоть до образования мономолекулярного слоя), которое наблюдается в капиллярной дефектоскопии, равновесный краевой угол не устанавливается. Об эффективности смачивания судят по коэффициенту растекания:

(1.2)

Полное смачивание или полное несмачивание (практически никогда не наблюдается) являются крайними случаями. Между ними в зависимости от соотношения молекулярных сил промежуточное положение занимают переходные случаи неполного смачивания (рис. 1.5).

а	б	в
Рис. 1.5. Капли смачивающей и несмачивающей жидкостей: а – q < 90º; б – q = 90º; в – q ≥ 90º

Однако из трех поверхностных натяжений s _т.г., s _т.ж и s _ж.г можно измерить общедоступными методами только одно – поверхностное натяжение на границе жидкости с газообразной средой. Поверхностное натяжение твердого тела на границе с жидкой и газообразной фазами трудно определить экспериментально.