Методы оценки смачивающей способности

Рис. 5.1. Методы оценки смачивающей способности

Измерение краевого угла по форме капли, находящейся на пластинке. Каплю проектируют на экран (рис. 5.2), добиваясь максимальной резкости в изображении контура капли. На снимке или на рисунке проекции капли проводят касательную в точке пересечения контура капли с подложкой и измеряют угол наклона этой касательной.

 

Рис. 5.2. Схема установки для определения краевого угла: 1 – источник света; 2 – испытуемая поверхность; 3 – увеличитель; 4 – экран; 5 – контур капли

 

Возможная ошибка измерения краевого угла может
составлять 3...5°.

Краевой угол может быть определен по высоте подъема слоя жидкости, примыкающей к стенке сосуда (рис. 5.3).

 

 

Рис. 5.3. Высота подъема жидкости по вертикальной стенке

 

В соответствии с законом Гаусса–Лапласса можно написать:

, (5.1)

где: r_ж – плотность жидкости; g – скорость свободного падения;
h – высота подъема жидкости.

Можно определить значение краевого угла по основным размерам прилипшей капли: по высоте h и радиусу или диаметру площади контакта капли с поверхностью r_к (рис. 5.4).

Зная эти размеры, рассчитывают угол по следующим формулам:

при < 90° , (5.2)

при > 90° . (5.3)

Определение краевого угла из соотношения между радиусами, которые характеризуют кривизну поверхности капли.

 

Рис. 5.4. Капля жидкости на горизонтальной поверхности

 

Для > 90º соотношения между r₀ и r_max определяют из следующих условий:

; , (5.4)

где r₀ – радиус кривизны вершины капли; r_макс – наибольшее расстояние точек медиального сечения капли от ее оси;
– капиллярная постоянная.

Для различных отношений h/r₀ и r₀/r_к по таблицам определяют краевой угол.

Помимо статистических методов определения краевого угла можно применить динамические методы, в частности движение жидкости по капилляру. При этом используется следующая формула:

, (5.5)

где t – время, в течение которого жидкость пройдет по капилляру расстояние l; h – вязкость жидкости; r – радиус капилляра.

Смачивающую способность также определяют, фиксируя высоту равновесного поднятия жидкостей в вертикальных сквозных капиллярах, другой способ определения – по значению краевых углов смачивания, основанный на измерении давления, с которым одна жидкость замещает другую на спрессованном в цилиндре порошке, или определение расхода жидкости, впитывающейся в порошок. Применяются также и другие способы.

Указанные способы непригодны для оценки смачивающей способности жидкостей, предназначенных для капиллярной дефектоскопии, по ряду причин. У этих жидкостей отсутствует статический равновесный краевой угол смачивания, так как они хорошо растекаются по поверхности твердого тела, образуя переменный (динамический) угол смачивания, значение которого близко к нулю. При оценке смачивающей способности по высоте капиллярного поднятия жидкостей необходимо использовать капилляры из материалов, по отношению к которым оценивается смачивающая способность данных жидкостей, – в основном металлов. Определять с необходимой точностью высоту подъема жидкостей в таких непрозрачных капиллярах, а также изготавливать их сложно. Наконец, смачивающая способность жидкостей по отношению к порошкам не соответствует смачивающей способности к монолитному материалу того же состава из-за дополнительного влияния капиллярности и разной шероховатости поверхности на процесс замещения жидкостей.

Наиболее распространен в капиллярной дефектоскопии способ сравнительной оценки смачивающей способности жидкостей путем измерения радиуса или диаметра пятна, образованного каплей нормированного объема испытываемой жидкости, растекающейся по горизонтальной твердой поверхности за установленное время, или определения диаметра этого пятна с течением времени (скорости растекания). Считается, что чем больше радиус (диаметр или площадь) пятна растекания, при прочих равных условиях, тем лучше смачивающая способность жидкости.

Фактически, таким образом оценивается не смачивающая способность как степень взаимодействия твердого тела и жидкости и их способность образовать устойчивую поверхность раздела жидкость–твердое тело, а растекаемость. Но смачивание и растекание – два разных, хотя и связанных друг с другом физико-химических явления, которым соответствуют два разных параметра качества жидкостей.

Растекание жидкостей – это явление двухмерного самопроизвольного движения жидкостей по поверхности, обусловленное действием смачивающей способности, вязкости жидкости, ее плотности и массы.

И смачивающая способность, и растекаемость представляют собой важные характеристики жидкостей для капиллярного контроля. Обе эти характеристики можно оценить в ходе одного эксперимента. При этом растекаемость определяют измерением параметров пятна растекания или скорости перемещения фронта жидкости по твердой поверхности. Смачивающую способность жидкостей определяют известным способом, заключающимся в измерении радиуса (диаметра, площади) пятна растекания капель жидкостей нормированного объема на твердой поверхности при заданной температуре за установленное время, дополнительно измеряют также плотность, вязкость и испаряемость жидкостей, а смачивающую способность одной жидкости по отношению к другой оценивают по соотношению коэффициентов растекания, определяемых с учетом влияния каждого указанного выше фактора на размеры пятна растекания. Процесс растекания капли является двухмерным – смоченная площадь представляет собой круг. Продолжительность растекания проникающих жидкостей для капиллярной дефектоскопии обычно составляет от десятков секунд до нескольких минут. Следовательно, растекание происходит по гидродинамическому вязкому режиму, при котором радиус пятна растекания равен:

, (5.6)

где r – радиус капли в момент времени t; D s – движущая сила, отнесенная к единице длины периметра смачивания (при полном смачивании это – коэффициент растекания (2)); D s = S; m – масса растекающейся капли жидкости; À – коэффициент, равный примерно 10, учитывающий увеличение сил трения в жидкости из-за наличия угловых компонентов скорости ее течения; r – плотность жидкости;
h – вязкость жидкости.

Для испаряющейся жидкости в формуле (5.6) вместо m необходимо записать (m – m_и), где m – масса капли жидкости в начальный момент растекания; m_и – масса части жидкости, испарившейся за время растекания капли. Количество испарившейся жидкости может быть определено взвешиванием или расчетом по формуле:

, (5.7)

где а – экспериментально определяемая удельная испаряемость жидкости (интенсивность испарения), т.е. масса жидкости, испаряющейся с единицы площади поверхности в единицу времени;
n – количество измерений радиуса (диаметра, площади) пятна растекания; – промежуток времени между i-м и (i – 1)-м измерениями размера пятна; r_i – радиус пятна в i-й момент измерения.

Для двух жидкостей 1 и 2, смачивающая способность которых сравнивается, с помощью формулы (5.6) можно составить соотношение:

. (5.8)

Возведя обе части равенства в четвертую степень и переместив отношение радиусов в правую часть равенства, а отношение – в левую, а также введя поправку на испарение жидкости, получим:

, (5.9)

где S₁, S₂ – коэффициенты растекания жидкостей 1 и 2; r₁, r₂ – радиус пятна растекания тех же жидкостей за время t₁, t₂, соответственно;
r ₁, r ₂₁ – плотности жидкостей 1 и 2; h ₁, h ₂ – вязкость указанных жидкостей; m₁, m₂ – масса капель жидкости в начальный момент растекания, определяемая, например, по формуле m = rV, где V – нормированный объем капли жидкости; m_1и, m_2и – масса части капель жидкостей, испаряющейся за время t₁ и t₂ .

Соотношение (5.9) позволяет оценивать смачивающую способность жидкостей по размеру пятна растекания их капель с учетом влияния плотности, вязкости и испаряемости жидкостей. Каждый в отдельности из этих параметров широко используется для оценки качества жидкостей. Их определяют известными способами. Плотность жидкостей, например, находят способом гидростатического взвешивания. Вязкость жидкостей измеряют с помощью стеклянных вискозиметров (ВПЖ–2, Пинкевича), устанавливая время истечения заданного объема жидкости через калиброванный капилляр вискозиметра. Фирма Helling предлагает измеритель вязкости жидкостей в виде погружной измерительной чашки. Данная жидкость наливается в чашку и капает сквозь узкое отверстие. Мерой вязкости является число капель, которое проходит через отверстие в заданное время. Удельную испаряемость жидкостей определяют, например, взвешивая пробу испытываемой жидкости, залитой в чашку Петри известного диаметра до и после ее выдержки на воздухе при
20 °С в течение 30...60 мин, и рассчитывая массу жидкости, испарившейся за 1 мин с 1 см² площади поверхности жидкости.