Смачивание поверхности стекла органическими жидкостями тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

• п - , :

/. 1 О £

¡НИСТЕРСТВО НАУКИ, ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ И ТЕХНИЧЕСКОЙ политики РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УРАЛЬСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им.А.М.ГОРЬКОГО

На правах рукописи

ВАНДЫШЕВ ДМИТРИЯ НИКОЛАЕВИЧ

УДК 532.696.1

СМАЧИВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ СТЕКЛА ОРГАНИЧЕСКШИ ЖИДКОСТЯМИ

Спзцлальность 02.00.04 - физическая химия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Екатеринбург,1992

Работа выполнена в Уральском ордена Трудового Красного знамени государственной университете км.А.М.Горького.

- кандидат физико-магематических наук, доцент С.Г.Скакун

- доктор химических наук, доцент А.Я. Нейман

- кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудникА. Ю. Куркин

- Институт химии УрО РАН.

Защита диссертации состоится " 7" _1992 г.

в » 13 » часов на заседании специализированного совета К 063.78.01 по присуждению ученой степени кандидата химических и кандидата физико-математических наук в Уральском государствен: университете им.А.М.Горького (620083, г.Екатеринбург, К-83, пр.Ленина,51, комн.248).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уральского университета им.А.М.Горького. ■

Автореферат разослан "

Ь " Охцмлх 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат химических наук, доцент

Научный руководитель

Официальные оппоненты

Ведущая организация

А.Л.Подкорытов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Явление смачивания лежит в основа меха-змов, определяющих равновесие и кинетику жидкостей в дисперсных'; терогенных средах, широко распространенных во многих природных и хнологичесних процессах. В настоящее время в области его исследо-ния накоплен значительный теоретический и экспериментальный мате-ал. Однако большую его часть составляют исследования, построен-:е на использовании макрохарактеристик euerem (краевой угол смачи-ния, поверхностное натяжение и др. ). Подобный подход, обладая дом достоинств, все же не универсален, так как не объясняет неновые наблюдаемые на практике явления, например, аюмальную темпе-ьтурную чувствительность краевого угла или некоторые особенности ведения жидкости в капилляре. Причина подобных отклонений заключи» и сгоЯстзах и структуре меяфазной границы жидкость-твердое ¡ло-гаэ. Ее реальное строение значительно отличается ст упрошенной ¡еретической схемы, на основании которой вводятся понятия макро-1рактсристик.

Для межфаэноЛ границы создано несколько теоретических моделей, )торые объясняют наблюдаемые отклонения, но всем им требуется сспериментальная поддержка как для их уточнения, так и для опреде-зния ряда эмпирических коэффициентов.

Из-за экспериментальных трудностей комплексное изучение зойств мелфазной границы до сих пор не проводилось. Такое положо-ie дел с одно!! стороны, препятствует дальнейшему развитию теореги-зских исследс заний, а с другой стороны, тормозит выполнение многих рикладных задач.

Особый интерв-1. в этом плане представляет система с неполным чачиванием, так как в ней влияние свойств меячЬазной границы на акро..араметры наиболее выражено и гак как подобная система широка аспространена в промышленности.

Цели работы. Исследование физико-химических свойств трехсЬаэ-ой границы у систем с неполным смачиванием ; определение влияния, казываемого ими на кинетику смачивания (растекание! ; уточнение и (згалпзация существующих теоретических представлений о виде, свойст-ах и структуре межфазной границы.

Научная новизна:

1. Получен детальный геометрчческий вид межфазной границы для системы капля - подложка - газ. Определены реологические и топологические свойства существующей здесь пленки (получившей в литературе название прекурсионной пленки - П II ).

Прослежена кинетика формирования П П Найдено соответствие между изменениями макропараметров капли (радиусом, краевым угли-и др.) и основными этапами эволюции П П На начальной стадии рас текания для полярных жидкостей обнаружена пространственная осци; ляция толщины П П.

2. С позиций теории устойчивости лиофобных коллоидов (теор! ДЛФО) проведен анализ полученного в эксперименте геометрическое вида П П у капли в равновесии. Для полярных жидкостей обнаруже1 хорошее качественное согласие с теорией. Используя это oбcтoятeJ ство, оценены параметры модельной изотермы расклинивающего давл( ния (линейная апроксимация).

На этой основе решена задача о форме П П у растекающейся капли. Решение предсказывает осцилляцию толщины пленки, подобн; зарегистрированной в эксперименте. Получено аналитическое выраж! ние для критерия,управляющего видом пленки (волнистая или гладк;

3. Разработана оптическая модель поверхности в виде многослойной отражающей системы, которая успешно применена в эллипсо метрических исследованиях оптических стекол и их внешних, плено ньк покрытий.

Практическая ценность. Создан комплекс экспериментальных установок по изучению кинетики межфазных взаимодействий и опред ленш свойств и структуры межфазной границ. Полученные с его помощью результаты могут быть использованы как для определения некоторых теплофизических свойств веществ, так и для проведения широких исследований по изучению поверхностных взаимодействий жидкое-твердое. Отработана методика исследований.

Автор защищает:

I. Комплекс экспериментальных установок и методику исследо ваний для изучения межфазных взаимодействий в системе жидкость-твердое тело-газ. Комплекс включает экспериментальную установку изучения кинетики роста тонких пленок в вакууме, установку для

¡учения кинетики растекания капель и установку для эллипсомотрн-5ского исследования тонких пленок, укомплектованную расчетной рограммой.

2. Результаты исследования структуры и свойств трехфазной раницы в статике и динамике, выявившие у П.П для полярных жид-остей следующие особенности: ступенчатый, полкслойный пид пленки; сцилляцию толщины П П , обнаруживаемую при высоких скопостях астекашя ; установленную для всех исследованных жидкостей взаимо-вяэь между основными этапами эволюции П П и процессом растекания апли в целом»

3. Результаты анализа полученного в экспериментах профиля |ленки, выполняемого с позиции теории ДОЮ, а также проведенное : этих же позиций решение задачи о виде пленки у растекающейся :апли для систем с неполным смачиванием, подтверждайте данные 1кс11ерй»с:.'та.

4. Разработанную оптическую модель поверхности п чипе многодойной отражавшей системы, использование которой оказалось удоО-112.1 для эллипсомстрячоскэго исследования поверхности стекла и его энеыних пленочных покрытий.

Апробация работы. Результата работы докладывались на Всесоюзной конференции "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидро-газодинамики"(Новосибирск,1991), на Международной пколе семинаре "Кинетическая теория процессов переноса при испарении и конденсации" (Минск,1991), на школе семинаре "Спектроскопические методы анализа поверхности оморфньк металлов и сплавов (Челябинск,1990).

ПубликаТции. По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глаз, заключения и приложения. Работа тясжена на(Кс.рантах в том числе '01 основного текста, 26 рисунков. Список литературы содержит 1 \о наименования.

КРАШЕ СОДЕЕКАНИЕ РАБОТУ

Во введения обоснована актуальность темы, определены цели исследования, научная новизна, а также охарактеризовала структура диссертации.

В первой главе содержится обзор экспериментальных и теор« гических работ, посвященных явлениям, происходящим на периаетре смачивания. Их анализ показал, что слабо изученной остается стрз тура в свойства межфазной .границы жвдкость - твердое тело - газ. Е частности, не исследованы свойства прекурсиокной пленки и влня ние, оказываемое ев на процесс растекания. В то же время для области межфазной границы существует несколько теоретических модел прямая экспериментальная проверка которых до сих пор не проводилась. В этой же главе даш общие сведения об известных методах изучения пограничной области и определены основные понятия и термины.

Вторая глава посвящена описании конструкции трех экспериментальных установок, использованных для получения результатов настоящей работы. Здесь же приводится подробное изложение методики экспериментов. Особое внимание уделяется вопросам подготовки к исследованиям поверхностей и жэдкостей.

В работе исследованы четыре сорта жадности, отличающихся полярностью: вакуумные масла ВЫ-1 иВМ-5, глицерин и полиэтия-силоксановая жвдкость (ЕЭС ), и два сорта подложек: оптические стекла марок К 8 и КУ I.

Жидкости для исследования брались сорта "Ч" и перед каждым экспериментом подвергались термовакуумной обработке с целью очистки от легколетучих примесей.

Поверхность любого силикатного стекла имеет достаточно ело; ное строение и неоднородный с глубиной химический состав. Цоэтол в подготовке поверхности к эксперименту основное внкм&кие обращг дось на воспроизводимость ее физических свойств. Последнее обеспечивалось применением бесконтактного способа очистки с .помощью ультрафиолетового излучения, проводимой ¡л б^ц. , непосредственно в рабочей камере. Контроль за качеством очистки осущест влялся аллипсометрически.

Экспериментальная установка пьезокварцевого микровзвешивания использовалась для изучения кинетики роста тонких поверхнос них слоев жидкости, Формирующихся в условиях вакуума. Рост плен' осуществлялся осаждением вещества из паровой фазы. В ходе экепб' рнмента контролировались температура подложки, на которой прока ходил рост пленки, и температура испаряющегося вещества, значен: тодщкш пленки в любой момент времени определялось дьезограви-метркческш способом. Температуры подложки и испарителя могли

быть выбраны в широком диапазоне и заданные поддерживались схемой автоматики с точностью ± 0,1°С.

Для изучения кинетики растекания била создана исследовательская камера, внутри которой размечалась исследуемая система.

Определение радиуса основания и высоты у изучаемой капли осуществлялось оптическими методами с точ71опгью 1 5 мкм. Значение краевого угла рассчитывалось по этим двум измеряемым брпичином в предположении сферичности формы капли. Ошибка в его определении не превышала 2$. Температура внутри камеры могла быть установлена в диапазоне от +15 до +вО°С и поддерживалась с точностью ± 0,1°С проточным термостатом. Перед экспериментом камера герметизировалась и атмосфера в ней осуиялась силикагелем.

В крычке камеры были установлены два юстируемых оптических окна для эллипсометрических исследований. Конструкцией камеры предусматривалось ее разме^гле па препараторском столике аллнпао-метра.

Свойства мскфаэноЯ границы у системы капля-подло^кя изучались на сериалом приборе - эллипсометре ЛЭЗ З'Л, подвергнутом модификации. Существующие модели поверхности стекла, обычно применяемые при эллипсометрических исследованиях [ I 3 , оказались непригодны»«;*. к рассматриваемой экспериментальной ситуации. Причина в том, что во всех них не предусматривается возможность учета каких-либо внешних покрытий поверхности, что требовалось в этой работе.

Исходя из этого, была разработана оптическая модель поверхности, состоящая из трех отрахаэдлх слоев: двух однородных и одного переходного. Переходный слой, характеризующийся изменяющимися с глубиной оптическими константами, представлял слой стекла, нарушенный полиров?">й. Первый однородный слой соответствовал в модели прекурсионной пленке, а второй - пленка адсорбата, покрывающей поверхность любого силикатного стекла на атмосфере. Свойства адсорбционной пленки во итогом близки к сиойствш,' жидкости, а химический состав условно представляется формулой: 51 0Х (ОН)у. , где с глубиной у. - О, * - 2 [ 2] .

Толщина такой пленки отличается для стекол различных марок, что связано с различиями в их химических свойствах. Так, у применяемых в работе стекол ее величина равна для КУ1 ~ 20 А и для К8 ~ 50 А.

Разработанная модель поверхности оказалась очень удобной при эллкпеометричесхих исследованиях оптического стекла и его пленочных покрытий. Получаемые результаты сходились даже при десягиугловых измерениях, что значительно превосходит аналогичные достижения других моделей,

В третьей главе диссертация приводятся экспериментальные результаты, полученные на трех основных установках и проводится их обсуждение. В конце этой главы, в четвертом разделе, с позиций теории ДЛ20 формулируется задача о виде П П для растекающейся капли. Здесь :-пе излагается ход ее реаешш, которое описывает полученный экспериментально вид П П

Кинетика формирования приповерхностных слоев жидкости исследовалась на установке пьезокварцевого взвешивания. В экспериментах обнаружено, что д;..; всех исследованных веществ скорость осаг-дения сильно зависит от величины предварительно осевзей массы. Наиболее вероятной причиной такого эффекта является изменение . "качества" поверхности, происходящее в результате покрытия ее . адсорбатом. Зная,по результатам пьеаогравиметрических измерений, величину осевпей массы и предполагая плотный характер заполнения подложи, рассчитывалась величина в - степень заполнения, которая использовалась при анализе.'

Согласно полученным экспериментальным данным (см. рис.1), осаждение вещества характеризуется экспоненциальной зависимость!) скорости ое&тдения от степени заполнения подложки. Однако, для глицерина и ПЭС наблюдается увеличение скорости с ростом 0 , а для вакуумного масла - уменьшение. Отличается для вецеств также и толцмна слоя адсорбата экранирующего влияние поверхности (она определяется из условия постоянства скорости осаждения!.

[кг/Н'/с] П

Э^-ío'

Ск^М'/с]

Pbc.I. Завксиу.ость скорости осазденил J"^ от степени заполнения 9 поверхности для ВМ-6 и глицерина

б

2

0 2 4 6 8 6

У глицерина эта величина - 6 монослоеп, у ПЗС - Ю, а у вакуумных масел всего I монослой.

Подобное различие в характере осаздония может бить связано с присутствием у модехул глицерина и ПЭС полярных груся, что отличает их от неполярных масел БМ-I и ЕМ-5. Действительно, изменение скорости осаэдения при переходе от адсорбции к конденсации (ог я < I к в у 1 ) объясняется разницей в енергип взашодей-ста¡1л адсорбат-по^сгкд :'. адсорбат-адсорбат. У масел адсорбционное воздействие носит чисто дисперсионный характер, энергия ззаи-кодейстзет адсорбат-яэдлогка превосходит энергия вааглэдепсгвпя адсорбат-адсорбат, что вызывает oi-Фект уменьшения скорости осаждения с ростом 9 . Крсу.е того, поле ск притяжения, здесь, локализовано в непосредственно!: блазосгз от подделки :: поэтому для полного экранирования ее свойств достаточно одного моыослоя адсор-бата.

Присутствие полярных групп у глицерина :: НОС приводит к . ?o.v!y, что э слоэ осевзих молекул образуются дополнительно водородные связи поверхвость-^-оорбат я адсорбат-адсорбат. Это обстоятельство, по-в вд тему, а делает более выгодным сс&здекие на уже осевши мз-лекули, что приводят к увеличен» скорости процесса по мере роста степени заполнения подложка. 3 этом случае область действ/л поверхностных см должна быть больней, что и каблэдается в эхепзртентах.

Обнаружено, что зависимость скорости осаздения от температуры кс парящегося вещества носит экспоненциальный характер. Построенные в координатах логарзф-м скорости осаздения - обратная температура испарителя все эксперте: тадьные точки легли на одну прямую. Зтот факт ыохно объяснить, считая, что при существующем в камере своЗоднсмэлекудярном режиме регистрируемая скорость осадденкл

_ q _

пропорциональна скорости испарения, а их коэффициент пропорциональности не зависит от температуры. В этом случае, комбинируя уравнения Герца - Кнудсена и Клапейрона,.получим температурную зависимость 0"С(Т) в ввде:

ёп = А - аН/Г?Т (1 )

где : А - константа, дН -молярная теплота испарения, Я - универсальная газовая постоянная.

Сравнивая экспериментальные зависимости с формулой (I > , . можно рассчитать значение д Н , которое для конденсации оказалось совпадающим с молярной теплотой испарения. Рассчитанное для адсорбции значение д оказ алооь ишм. Сводка полу-

ченных значений в таблице.

BM-I ВМ-5 ПЭС Глицерин

Л НГа& [ ку* /моль! 100 115 - -

л Нмс LK^/МОЛЬЗ 101 ИЗ 650 450

А [кду/мольЗ 127 143 400 250

Как ввдко из таблицы, соотношение между л Нж. и /»Н^с для исследованных веществ подтверждает сделанный ранее'вывод о различной энергетике взаимодействий в слое осевшего адсорбата у молекул вакуумных масел и жидкостей ПЭС и глицерин,' имеющей причину в различной полярности молекул.

Раздел 2 третьей главы содержит результаты по исследованию растекания капель. В экспериментах было установлено, что тип подложки не оказывает существенного влияния на этот процесс.

В целом, наблюдаемый при растекании характер изменения параметров капли, подобен предсказываемому теорией и обнаруаеваемоиу других работах [3]

Однако все основные ыакропараметры капли, спустя некоторое постоянное для одного сорта квдкости время t* с начала расте-какгя? скачкообразно меняят скорость своего измененгя (рис. 2 }Хпюстрирует зто явление на пркмере краевого угла).

Рис. 2. Зависимость краевого угла от времени растекания для глицерина (I ) , ПЭС (2 > , вакуумного масла ( 3 > на стекле Ш. б„ - равновесный краевой угол

О 70 40 60 t(nm)

Наиболее вероятной причиной обнаруженного явления, по-ввди-мому, служит изменение условий растекания, происходящее в микроскопической области вблизи линии смачивания, так ¡гак макроскопические условия растекания в этот момент времени не изменяются.

3 соответствии с основным кинетическим уравнением растекания ( г • a t" ) экспериментальные точка хорошо спрямляются в логаркр-

Рис.З. Зависимость логарирма отношения текущего значения радиуса капли к его предельному значению от времени раст текания для ПЭС (I глицерина (2 ) а вакуумного масла (3 ) на стекле К8

Как бццно из графика, общая зависимость представляется двумя пря-игаи с различным значением наклона. Величина наклона - есть показатель степени в кинетическом уравнении, различный для первого ( п, ) и второго ( 1 этапов. Для всех исследованных жидкостей значение п оказалось близким табличному.

Исследована температурим завкск/.ость коэффициентов л,' а /)4 Обнаружено, что с увеличением температуры пг не меняется, а п, увеличивается, что особенно заметно для вахуумннх масел (рас.4 > Причина этого явления, по-в вдетому, в том, что .на нервом этапе . растекания, помш> с кг. гидродинамического сопротивления, слабо

- II -

маческих координатах (рис.3).

зависящих с г температуры, большое значвим к.; с в? поверхностные с иди, ооладащш, как известно 1^3 , большой температурной чувствительностью.

Рес.4. Теиперагурная зависимость показателя степанЕ в законе растеканкя для ВИ-5 на стекле 11-8

Установлена неоднозначность сбязе равновесного краевого угла к температуры (ргс.5! Б исследованном диапазоне теииерагур у ,глк-цорша обнаружен слабый рост краевого угла, у ПЭС - слабое уиэнь-веяже, а у БМ-5 и ЕК—I ешьное уменьшенкэ. Предсказызаемое тео-РесЙ влышае температуры должно приводить к уценьевцщ) краевого угла с ее ростом, что действительна кабдвдаетск у ПЭС к вахуушшх иазел. Аномальлкй рост краевого угла у глицерина, каг. а подобные ко явленея для ряда других сктем, согласно Адаысону могут быть ОбЬЯСНСКЫ ССШ&Х структур^озанг^и ПрШХОВОрлЕОСТКЫХ СЛООВ 2ЕДКОС тей [ 4 ] .

220

200 32О Tí и)

Ptc.5. Температурные зав; ckíoctu равновесного кра< вого угла для трех гвдко< тей на стекле К8: I - гл:

церин, 2 - ЮС, 3 - К.!5

ТакЕД схЗразогл, целый ряд экспериментальных данных еввдетол! отвует о большой Блинта, оказываемом на процесс райтекаккя в г.с следованных скатеках явденвй вблизк лютк смачивания.

- 12 -

Если эта де&стонтолшо так, то скорость сг.опзигл л гит сиачя-зши'л V можно связать о разностьп пртаого а обратного потоков, яораноекцкх иодехули хгдкостп аз коддз на поверхность и обратно." Баланс этих потоков иох.ет би-,ь составлен о пр^лоченкеи теории абсолютных скоростей реакция [41 . Получаете при таком рзссиот-роиия осксзшю шгводч подтверждаются в экспериментах. В частности, обнаружена предсказываемая теорией линейная зав косность не;гду а соь 9 .

В раздело 3 глава приводятся результат» г.с следований равновесного геометрического в?да прекурсвошюй пленки для исследуемых статен.

Устаиоздено, что у вакуумных :.*.асел прекурс зонная плен та гмоет Форму клипа с ^кстаахьной толикноЗ 7 оятетеского края капяп - 5-7 Л а протяженностью основания нляка ~ 2-3 1~я. Профили гдеп-тзлннх для !'лсрл В"5 нВМ1 :: для гитх. гкслсдовагашх сортов подл о -

Прсфгяп П П у пмяряах зздвсстсЗ (ПЕС, гдпхврпп I гкезт другой вгд, подобшШ проеденному :га рта.6.

Ы'да)

1 ооОа

|\ . V Г 1Д

-Ч--1-" 1 . I ! _КЗ

-_ КЧ1 1

з гГим)

?г.с.В. Геометрический вцд П П для глицерина на стеклах К8 (I 1 и КУТ (2 Начало оси ординат совмещено с тотянной поверхностью стекла. Пункт крон показана наблюдаемая поверх-. кость стекла. Начало оси абсцисс совмещено с оптическим краем капли.

У них толщина пленяя спадает экспоненциально. Максимальное значе-ггло толцины, нэдизвдуальноо для гллдой исслздуекой жидкости, оказалось завжящил от типа подложки. Однако, если эту толщину сложить с толщиной адсорбционного покрытия, то получаемое значение общей толщннн окажется одинаковым для обоих типов подложек. ' Таг.гм образом, по-згд^.сму, слой адсорбата, покрнзащиЗ отекло, действительно проявляет свойства полярной жидкой фазы, еффектизно передающей поверхностное влияние на прекурсконнув пленку, Максимальная общая толщина з з»м случае определяет фактически радхг/о действия поверхностшх сил в наследуемой системе

- 13 -

Его значение оказалось равным ~ 8 нм для глицерина и ~ 15 ни для ПЭС. ^

На профиле П П (рис.6) может быть выделено два участка: 1-й - пологий, на периферии пленки и 2- й - более крутой, вблизи линии смачивания. В области первого участка профиль пленки состоит из ряда терасс, имеет ступенчатый характер, как это показано на врезке в графин. Размер или высота одной такой ступени составляет 1,5 - 2 X . Этот экспериментальный факт позволяет предположить, что первый участок пленки содержит молекулы жидкости, ориентированные поверхностью и упакованные по монэслоям. То,что величина ступени сказывается значительно »вньша размера ориентированной молэ- . к^лы, может быть объяснено взаимопроникновением слоев.

Максимальная толщина первого участка, определяемая по виду профиля, оказалась близка к толщине пленки, требуемой для экранирования, влияния поверхности. (Последняя определялась из исследований кинетики вакуумного роста пленок

Равновесный вид П П возможно также получить, если воспользоваться подходом, развиваемым в теории ДЛФО, согласно которому геометрия профиля определяется уравнением, выражающим постоянство химического потенциала вдоль поверхности [51:

б' К + Л/70 - Р0 ~СХХ)Ь1

(21

где-- б - поверхностное натяжение жидкости, К - локальное значение кривизны поверхности, Р„ - капиллярное давление равнот весной капли, Л/Ь) - расклинивающее давление.

Для его решения в случае систем с. неполным смачиванием, используется близкая к реальной модельная изотерма П/Ы , записываемая в виде:

( - а. {И-То) , 0 4 Ь 4 Ь,

и

10 , Ь>1< (3)

где г а и Ьч - константы, Ь, - радиус действия поверхностных сил.

Такой выбор П/Ь) позволяет линеаризовать уравнение (2! и получить его решение, представлягсцзз собой цилиндрическую функцию

второго рода - Функции Мавдональда Г 5 7 . Профиль ЦП,- предсказываемый этнм решением, совпадает о экспериментальный. Из их сравнения были рассчитаны значения констант а а ^ , входящих в модельную изоторау.

Раздел 4 третьей 1лавы содержит катер Юлы по кинетика формирования П П Как било уотанбвлено, этот процесс происходит путем более ускоренного выдвижения ближних к поверхности слоев жидкости. Причем, только пленка вакуумных масел распространяется с постоянством начальной геометрической формы. У жидкостей ПЭС и глицерин вначале формируется первый участок, что сопровождается уменьшением его уклона, и лишь затем начинается рост второго участка пленки.

Спустя некоторое время t у п П устанавливается равновесный ввд. При этом растекание капли, регистрируемое по изменения ое краевого угла и радиуса, продолжается еще какое-то время, но ввд пленки уп9 не изменяется, она перемещается г«5сгб о линией стачивания. Величина t сказалась равна - времени первого

этапа растекания, определяемого по характеру изменения макрозара-метров капли. Таким образом, причиной изменения кинетики растека-нпя действительно является изменение в области П П - существование двух этапов в ее эволюции.

Важной особенностью обоих этапов растекания является послойный характер двкзенш П П Его суть в том, что монослои жидкости, образующие ступени на профиле, перемещаются без ввдшого сороме-лизания й с различными скоростями (особенно на первом этапе ) слой по слов.

Для жидкостей ПЭС и глицерина обнаружено, что в первые моменты с начала растекания появляется волнистость поверхности П П , что показано на рис.7. При этом для системы глицерин-стекло КУ1 в области первого шшшума наблюдалось даже уменьшение ввенвлъного значения толщины у "гель" слоя.

И(нм)

Г

8

Рис. 7. Ввд шенкн перед pao re-кащейся кашей для ранних этапов растекания, жвдкость-глицерш (I ) и ПЗС ( 2 ) род-ложка-стекдо парки КУ1.

1

О

О 0.5 1.0 Фи) - 15 -

Подобное каление было непродолжительный в закидало Ю-Щ от времени первого этапа растекания ^ .

Вед И В у растекающееся капдв можно гакцо подучить дродйфе-рэкцяровав уравнение (2 ) ш воспользовавшись известшш вырахе-ниам для градиента дааяенвя в текуцей шейке [63 :

с(г С* г <о п • '

1

,здесь К - локальная кргапзка поверхности, >] - вязкость хвд-костк, V - скорость порем?дения лкнвн сиачгеанвя, L -радиус, ценоваяея капле.

Для решения с того уравнения, в случае с детей с каполши сиачн-вашк^ьь'берек П(Ь) согласно { 3 ) н сделаем три предпалогэнм, кстенность которых подтверждается экспериментально: I ) прсфядь полопй ; 2 1 значение локальной кривизны К определя-

ется лкзь внешней кривизной с центром лежацш в газовой фазе; 3 ^ размер пароходной области камя-пденка- С иного меньше разборов каплк(£ <1. ).

Как было показано, данные уадоакя будут справедливы дця размеров переходной. области С 4 0.5 ш, что выполняется на начальных стадиях ресгекаши ( су.рис.?) .

С учехои сдслгшшх предположений г. выбора Л (И) ураэяокпе (4 > вршодЕкя к ввду:

V "' - ^е V - V "О, (5)

здесь произведена замена переменных: V- Ь/Ь„ -■),> = г/х,1Л).- V;

где.' ь П, -П^-М.

Реаэню этого уравнения записывается в ваде:

М = Ь !л0 - <« С, е + С,е +Сле , }

В зав новости от знака дискриминанта 2> характеристического уравнения возможно три случая: <0 «;о , что соответствует /5 ^^ - тодцша пленки, деЗо монотонно уменьшается, либо шеет единственный мвкшуи, , р < -перед наступающей

Каплей образуется волнистая пленка, подобная зарегистрированной

- 16 -

экспериментально. Этот случай соответствует большим скор эстям растекания.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДИ

1. Создан комплекс экспериментальных установок и отработана методика исследований для изучения межфазных взаимодействий

в системе жидкость - твердое тело - газ.

2. Получен детальный геометрический вид прекурсионной пленгш, прослежена кинетика формирования пленки. Найдено соответствие между изменениями макропараметров капли (радиусом, краевым углом

и др.\ и основными этапами эволюции прекурсионной пленки. На начальной стадии растекания для полярных жидкостей обнаружена пространственная осцилляция толщины пленки. Это явление происходит вблизи линии смачивания и имеет затухашиЧ характер.

3. Анализ полученного в эксперименте с полярными жидкостями профиля пленки с позиций теории ДЛ50 выявил хорошее качественное согласие эксперимента и теории. На этой основе вычислены параметры модельной изотермы расклиниваюцего давления (линейная апроксима-цил!.

Для этой же изотермы решена задача о геометрическом виде прекурсионной пленки у растекающейся капли для систем с неполным смачиванием. Из полученного решения следует, что возможен профиль переменной толщины, подобный зарегистрированному в эксперименте. Получено аналитическое' выражение для критерия, определяющего вид прекурсионной пленки (волнистая или гладкая).

4. Разработана оптическая модель поверхности в виде многослойной отражающей системы, оказавшейся удобной при эллипсометри-

ческих исследованиях поверхностей полированных стекол и их внешних пленочных покрытий.

Список использованной литературы

1. Аззам Р., Башара Н. Эллипсометрия и поляризованный свет, И.: Мир, 1980. 1583 с.

2. Пшеници» В.И., Абаев М.И., Дызлов Н.Ю, Эллипсометрия в физико-химических исследованиях. Л. : Химия,1986. 151 с.

3. Сумм Б.Д., Горюнов Ю. В. Физико-химические основы смачивания и растекания. М.: Химия, 1976. 120 с.

- 17 -

4. ЛсАхтооп Л У., Ltry Jhe italus cf tailaci m a ihir-modymmic prifvriy ///Удапс« u> <-herrj ber. (964. N fi P5/-73

5. Дерягин B.D., Чураев H.B,, Мулер В.M. Поверхностные силы. Ii. : Наука, 1985. 398 с.

6. Чураев Н.В. Физйко-химия процессов массопереноса в пористых телах. М. : Химия, 1990. 272 с.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

г I. Вандышвв Д.Н. Исследование монослойных пленок, возникающих на границе органическая жидкость - твердое тепо//Метастабильные фазовые состояния и кинетика рэлянсации. Екатеринбург, 1992. С.41-44.

2. Вандьиев Д.Н., Скакун С.Г. Некоторые свойства прекурсион-ной пленки//Инж.-фиэ.курн. 1991. Т.61. С.934-938.

3. Вандьиев Д.Н.,Новиков A.A. Эллипсометрическое исследование дефектного слоя полированных стекол//Дефектоскопия. 1991.

* 8. С.71-74.

4. Вандышев Д.Н., Скакун С.Г. Исследование поверхностной диффузии жидкостей эллипсометрическиы методом/^Гез.докл.шк.семинара "Спектроскопические методы анализа поверхности аморфных и кидких металлов". Челябинск,1990. С.32.

5. Вандышов Д.Н., ЗНердева Л.В. О механизме формирования граничной области растекающейся капг //Материалы международной школы семинара "Кинетическая теория процессов переноса при испарении н конденсации". Минск,1991. С.96.

6. Вандышев Д.Н., Сотонин В.И. Пьезогравиметрическое исследование кинетики осаждения паров летучих Беи.еств/Л'атериали международной щк.семинара "Кинетическая теория процессов переноса при испарении и конденсации". Минск,IS9I. С.93.

7. Вандшев Д.Н., Коснырев C.B. Кинетика осаждения паров органических жидкостей на металлическую подложку//Тез.докл. 1У Всесоюзной конференции "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодкнамики-'. Новосибирск, 19У1. С.30.

8. Вандыяав Д.Н. Определение теплофизических свойств веществ пьезогравиметрическим мзтодом/^Теэ.докл. 1У Всесоюзной конференции "Актуальные вопросы теплофизики н физической гндрогаэодика-мики". Новосибирск,199I. С.52.

Подписано 8 печать 2.7.03. 1992.. Формат 60 х 84 1/16. Бумага для множительных аппаратов. Печать офсетная. Объем 1,0 уч.-изд.л. .Тираж 100 экз. Заказ К4 ¡70 . Бесплатно.

Уральский ун-т. 620083, Екатеринбург, пр.Ленина,51.