WikiDer > Закон Кэссис - Википедия

Закон Кэсси, или Уравнение Кэсси, описывает эффективный угол контакта θ_c для жидкости на химически неоднородной поверхности, т.е. поверхности композитный материал состоящий из разного химического состава, неоднороден во всем.^[1] Углы смачивания важны, так как они определяют количество поверхностей. смачиваемость, природа межмолекулярных взаимодействий твердое тело-жидкость.^[2] Закон Кэсси предназначен для случаев, когда жидкость полностью покрывает оба гладкий и грубый неоднородные поверхности.^[3]

Состояние Кэсси-Бакстер. Капля воды, покоящаяся на неоднородной поверхности (песке), образует контактный угол, здесь ${ displaystyle theta _ {c} = 145,22 ^ { circ}}$

Формула, встречающаяся в литературе для двух материалов, больше похожа на правило, чем на закон;

${ displaystyle cos theta _ {c} = sigma _ {1} cos theta _ {1} + sigma _ {2} cos theta _ {2}}$

куда ${ displaystyle theta _ {1}}$и ${ displaystyle theta _ {2}}$ - краевые углы для компонентов 1 с дробной поверхностью площадь ${ displaystyle sigma _ {1}}$, и 2 с дробной площадью поверхности ${ displaystyle sigma _ {2}}$ в композитном материале соответственно. Если существует более двух материалов, уравнение масштабируется до общей формы;

${ displaystyle cos theta _ {c} = sum _ {k = 1} ^ {N} sigma _ {k} cos theta _ {k}}$, с ${ Displaystyle сумма _ {к = 1} ^ {N} sigma _ {k} = 1}$.^[4]

Кэсси-Бакстер

Закон Кэсси приобретает особое значение, когда неоднородная поверхность представляет собой пористая среда. ${ displaystyle sigma _ {1}}$ теперь представляет площадь твердой поверхности и ${ displaystyle sigma _ {2}}$ воздушные зазоры, так что поверхность больше не будет полностью влажной. Воздух создает угол контакта ${ displaystyle 180 ^ { circ}}$и потому что ${ displaystyle cos (180)}$= ${ displaystyle -1}$, уравнение сводится к:

${ displaystyle cos theta _ {cb} = sigma _ {1} cos theta _ {1} - sigma _ {2}}$, какой Кэсси-Бакстер уравнение.^[5]

К сожалению, термины Кэсси и Кэсси-Бакстер часто используются как синонимы, но их не следует путать. Уравнение Кэсси-Бакстера более распространено в природе и фокусируется нанеполное покрытие ' поверхностей только жидкостью. в Кэсси-Бакстер государство жидкости сидят на неровностях, в результате чего возникают воздушные карманы, ограниченные между поверхностью и жидкостью.

Однородные поверхности

Уравнение Кэсси-Бакстера не ограничивается только химически неоднородные поверхности, так как воздух внутри пористых однородных поверхностей сделает система неоднородный. Однако, если жидкость проникает в канавки, поверхность становится однородной, и ни одно из предыдущих уравнений нельзя использовать. В этом случае жидкость находится в Государство Венцеля, регулируется отдельным уравнением. Переходы между состоянием Кэсси-Бакстера и состоянием Венцеля могут происходить, когда к жидкости на поверхности применяются внешние стимулы, такие как давление или вибрация.^[6]

Происхождение уравнения

Когда капля жидкости взаимодействует с твердой поверхностью, ее поведение определяется поверхностным натяжением и энергией. Капля жидкости может растекаться бесконечно или находиться на поверхности, как сферический колпачок, в точке которого существует контактный угол.

Определение ${ displaystyle E}$ как изменение свободной энергии на единицу площади, вызванное растеканием жидкости,

${ displaystyle E = sigma _ {1} ( gamma _ {s_ {1} a} - gamma _ {s_ {1} l}) + sigma _ {2} ( gamma _ {s_ {2} a} - gamma _ {s_ {2} l})}$

куда ${ displaystyle sigma _ {1}}$, ${ displaystyle sigma _ {2}}$- дробные площади двух материалов на неоднородной поверхности, и ${ displaystyle gamma _ {sa}}$и ${ displaystyle gamma _ {sl}}$межфазное напряжение между твердым телом, воздухом и жидкостью.

Краевой угол для неоднородной поверхности определяется выражением

${ displaystyle cos theta _ {c} = { frac {E} { gamma _ {la}}}}$, с ${ displaystyle gamma _ {la}}$межфазное натяжение между жидкостью и воздухом.

Краевой угол, задаваемый уравнением Юнга, равен,

${ displaystyle cos theta _ {y} = { frac { gamma _ {sa} - gamma _ {sl}} { gamma _ {la}}}}$

Таким образом, подставляя первое выражение в уравнение Юнга, мы приходим к закону Кэсси для неоднородных поверхностей:

${ displaystyle cos theta _ {c} = sigma _ {1} cos theta _ {1} + sigma _ {2} cos theta _ {2}}$^[1]

История закона Кэсси

Закон Юнга

Исследования, касающиеся угол контакта Существование между жидкостью и твердой поверхностью началось с Томас Янг в 1805 г.^[7] Уравнение Юнга

${ displaystyle cos theta _ {y} = { frac { gamma _ {sa} - gamma _ {sl}} { gamma _ {la}}}}$

Сценарии с различным углом контакта

отражает относительную силу взаимодействия между поверхностными натяжениями в трехфазном контакте и представляет собой геометрическое соотношение между энергией, полученной при формировании единицы площади поверхности раздела твердое тело-жидкость, и энергией, необходимой для образования границы раздела жидкость-воздух.^[1] Однако уравнение Юнга работает только для идеальный и настоящий поверхности и на практике большинство поверхностей микроскопически грубый.

Закон Кэсси

Государство Венцеля

В 1936 году Роберт Венцель модифицировал уравнение Юнга для учета шероховатых однородных поверхностей и параметра ${ displaystyle r}$ был введен, определяемый как отношение истинной площади твердого тела к его номинальной.^[8] Известное как уравнение Венцеля,

${ Displaystyle соз тета _ {ш} = г соз тета _ {у}}$

показывает, что кажущийся угол контакта, угол, измеренный при случайном осмотре, увеличится, если поверхность станет шероховатой. Жидкости с контактным углом ${ displaystyle theta _ {w}}$как известно, находятся в Государство Венцеля.

Кэсси-Бакстер государство

Понятие шероховатости, влияющей на угол смачивания, было расширено Кэсси и Бакстером в 1944 году, когда они сосредоточились на пористых средах, где жидкость не проникает в канавки на шероховатой поверхности и оставляет воздушные зазоры.^[5] Они разработали уравнение Кэсси-Бакстера;

${ displaystyle cos theta _ {c} = sigma _ {1} cos theta _ {1} - sigma _ {2}}$, иногда пишется как ${ Displaystyle соз тета _ {с} = сигма _ {1} ( соз тета _ {1} +1) -1}$ где ${ displaystyle sigma _ {2}}$ стал ${ displaystyle (1- sigma _ {1})}$.^[9]

Закон Кэсси

В 1948 году Кэсси уточнила это для двух материалов с разным химическим составом как на гладких, так и на шероховатых поверхностях, что привело к вышеупомянутому закону Кэсси.

${ displaystyle cos theta _ {c} = sigma _ {1} cos theta _ {1} + sigma _ {2} cos theta _ {2}}$

Аргументы и противоречия

После открытия супергидрофобный Поверхности в природе и рост их применения в промышленности, изучение углов смачивания и смачивания широко подверглось пересмотру. Некоторые утверждают, что уравнения Кэсси более случайны, чем факт, поскольку при этом утверждается, что акцент следует делать не на дробных площадях контакта, а на самом деле поведения жидкости на линии трехфазного контакта.^[10] Они не утверждают, что никогда не используют уравнения Венцеля и Кэсси-Бакстера, но утверждают, что «их следует использовать со знанием своих недостатков». Однако дебаты продолжаются, поскольку этот аргумент был оценен и подвергнут критике, и был сделан вывод о том, что краевые углы на поверхностях может описываться уравнениями Кэсси и Кэсси-Бакстера при условии, что фракция поверхности и параметры шероховатости переинтерпретированы для принятия локальных значений, соответствующих капле.^[11] Вот почему Кэсси закон на самом деле больше правило.

Примеры

Широко признано, что водоотталкивающие свойства биологических объектов обусловлены уравнением Кэсси-Бакстера. Если вода имеет контактный угол между ${ displaystyle 0 < theta <90 ^ { circ}}$, тогда поверхность классифицируется как гидрофильная, тогда как поверхность, создающая угол контакта между ${ Displaystyle 90 ^ { circ} < theta <180 ^ { circ}}$ гидрофобен. В особых случаях, когда угол контакта ${ displaystyle 150 ^ { circ} < theta}$, то он известен как супергидрофобный.

Эффект лотоса

Одним из примеров супергидрофобной поверхности в природе является Лист лотоса.^[12] Листья лотоса имеют типичный угол контакта ${ displaystyle theta sim 160 ^ { circ}}$, сверхнизкая адгезия к воде благодаря минимальным контактным площадям и свойство самоочищения, которое характеризуется уравнением Кэсси-Бакстера.^[13] Микроскопическая архитектура листа лотоса означает, что вода не проникает в наноскладку на поверхности, оставляя воздушные карманы внизу. Капли воды становятся взвешенными в состоянии Кэсси-Бакстера и могут скатываться с листа, собирая при этом грязь, таким образом уборка Листок.

Перья

Режим увлажнения Кэсси-Бакстера также объясняет водоотталкивающие свойства пенне (перьев) птицы. Перо состоит из топографической сети «зазубрин и бородок», а капля, которая оседает на них, находится в несмачиваемом композитном состоянии твердое тело-жидкость-воздух, где крошечные воздушные карманы задерживаются внутри.^[14]

Смотрите также

• Смачивание
• Ультрагидрофобность
• Угол контакта
• Гониометр
• Жидкая капля
• Эффект лотоса

Рекомендации