Статические краевые углы капель воды и масла на поверхности

СТАТИЧЕСКИЕ КРАЕВЫЕ УГЛЫ КАПЕЛЬ ВОДЫ И МАСЛА
НА ПОВЕРХНОСТИ СТЕКЛА И КРЕМНЕЗЕМА,
МОДИФИЦИРОВАННЫХ ГЕКСИЛАМИНОМ
Нуштаева Алла Владимировна
канд. хим. наук, доцент, кафедра физики и химии,
Пензенский государственный университет архитектуры и строительства,
Россия, Пенза
E-mail: [email protected]
STATIC CONTACT ANGLES OF AQUEOUS AND OIL DROPS ON GLASS
AND SILICA SURFACES MODIFIED BY HEXYLAMINE
Nushtaeva Alla
PhD, assistant professor, Department of physics and chemistry,
Penza State University of Architecture and Building, Russia, Penza
АННОТАЦИЯ
При увеличении степени гидрофобности частиц кремнезема возрастали
значения статических краевых углов капель воды в масле и капель масла в воде
на поверхности стекла.
ABSTRACT
Values of static contact angle of aqueous droplets in the oil phase and the oil
droplets in the aqueous phase on the glass surface increased with increasing
of hydrophobicity degree of silica particles.
Ключевые слова: краевой угол, твердые частицы, кремнезем, эмульсии.
Keywords: contact angle, solid particles, silica, emulsions.
______________________________
Нуштаева А.В. Статические краевые углы капель воды и масла на поверхности стекла и
кремнезема, модифицированных гексиламином // Universum: Химия и биология : электрон.
научн. журн. 2014. № 2 (3) . URL: http://7universum.com/ru/nature/archive/item/937
Краевой угол θ твердых частиц определяет возможность стабилизации пен
и эмульсий твердыми частицами. Пены стабилизируют только гидрофильные
частицы (если угол θ < 90º) [5].
Эмульсии
могут
быть
получены
как
из
гидрофильных,
так и из гидрофобных твердых частиц. При значении угла θ < 90º формируются
эмульсии масла в воде (М/В), а при значении θ > 90º — эмульсии воды в масле
(В/М). От краевого угла избирательного смачивания зависят факторы
стабилизации эмульсий твердыми частицами, такие как энергия закрепления
твердых
частиц
в эмульсионной
частицами
на
межфазной
пленке,
поверхности;
стабилизированной
сетки-структуры,
капиллярное
частицами;
пронизывающей
давление
формирование
дисперсионную
среду
и включающей адсорбционные слои на поверхности капель [3; 4; 6].
Зависимость краевого угла от условий его формирования называется
гистерезисом смачивания. Обычно гистерезис характеризуют минимальным
углом оттекания воды θrec и максимальным углом натекания воды θadv.
Количественная характеристика гистерезиса:
h   adv   rec .
Исследование
стабилизации
пен
(1)
и
эмульсий
частицами
аэросила
с гексиламином [1; 7] показало, что модификация кремнезема гексиламином
позволяет обеспечить гидрофобизацию в широком диапазоне: от совсем
гидрофильных до полностью гидрофобных частиц, когда даже эмульсии В/М
становятся неустойчивыми.
Целью данной работы было исследование краевых углов в системе
водная фаза-масло в области устойчивых эмульсий. В случае концентрации
кремнезема 1 % (в водной фазе) эмульсии М/В получались при концентрации
гексиламина
CHex
=
0,02—0,10 моль/л,
а
эмульсии
В/М
—
при CHex = 0,14—0,21 моль/л [1; 7].
В качестве твердых стабилизаторов эмульсий использовали кремнезем
(аэросил марки А-380), который модифицировали добавкой гексиламина.
Одновременно
с
кремнеземом
модифицировали
стеклянную
пластину,
на которой потом измеряли краевые углы. Химический состав стекла
лабораторного близок к составу кремнезема: содержание оксида кремния
в лабораторном стекле примерно 72 %. Пластину помещали в воду вместе
с навеской кремнезема (аэросил А-380, 1 г на 100 мл воды), затем добавляли
гексиламин и перемешивали в течение 30 мин.
Степень
гидрофобности
nHex
поверхности
кремнезема
(и
стекла)
рассчитывали по формуле
nHex = C Hex / C SiO ,
(2)
2
где: CHex — концентрация гексиламина (моль/л), C SiO — концентрация
2
кремнезема (г/л).
Статические краевые углы на поверхности горизонтальной стеклянной
пластины определяли методом сидячей капли: краевой угол капли водной фазы
в масле θw/o и краевой угол капли масла в водной фазе θo/w . Каплю
фотографировали с помощью микрокамеры, измеряли периметр основания
и высоту капли и рассчитывали краевой угол.
В качестве фазы масла использовали декан.
В качестве водной фазы использовали либо раствор с количеством
гексиламина, равновесным с адсорбционным слоем на твердой поверхности
(система равновесный водный раствор-декан), либо дистиллированную воду
(система вода-декан).
На рис. 1 представлена зависимость статических краевых углов капель
масла в водной фазе θo/w и капель водной фазы в масле θw/o на поверхности
стекла от степени гидрофобности частиц кремнезема. Как видно на рисунке,
значения краевых углов на стекле сильно увеличивались по мере роста степени
гидрофобности частиц. Причем особенно увеличивались значения краевого
угла капли масла θo/w .
(а)
(б)
Рисунок 1. Зависимость статических краевых углов капель водной фазы
(закрашенные символы) и капель декана (открытые символы) в системах
равновесный водный раствор-декан (а) и дистиллированная вода-декан (б)
от степени гидрофобности.
Максимальные значения углов составили в пределе до θw/o = 140 и θo/w =
155º при концентрации гексиламина 0,21 моль/л. Этим значениям краевых
углов соответствовала верхняя граница области устойчивых эмульсий В/М.
При концентрации модификатора более 0,21 моль/л эмульсии В/М становились
неустойчивыми,
что
свидетельствует
о
значительной
гидрофобизации
поверхности твердых частиц.
Краевой угол всегда зависит от метода измерения, и иногда угол сидячей
капли называют равновесным [8], который определяется известным уравнением
Юнга. В этом случае углы θo/w и θw/o теоретически должны быть равны. Однако,
как видно из рис. 1, статические углы капель масла в воде θo/w сильно
отличались от углов капель воды в масле θw/o.
Осталось невыясненным, почему угол θw/o становился меньше угла θo/w
(обычно θw/o > θo/w [2]). Упоминание о случае, когда θw/o < θo/w, встречается
только в [2]: θw/o = 0—20º (капля воды в бензоле) и θo/w = 32—44º (капля бензола
в воде) на поверхности минералов кальцита и мусковита (слюды). В наших
экспериментах явление θw/o < θo/w при увеличении концентрации гексиламина
наблюдалось во всех системах: раствор-декан и вода-декан (рис. 1), а также
в системах раствор-воздух и вода-воздух. Видимо, углы сидячих капель
определялись в первую очередь химической неоднородностью твердой
поверхности,
которая
увеличивалась
вследствие
адсорбции
молекул
гексиламина.
Краевые углы в системе вода-декан оказались меньше углов, измеренных
в системе
раствор-декан
(рис. 1).
Вероятно,
при
контакте
с
водой
модифицирующий слой смывается с поверхности стекла. В результате капля
воды растекается по твердой поверхности в большей степени, чем капля
раствора (рис. 2а). Эта разница становилась тем заметнее, чем больше была
степень гидрофобности поверхности.
(а)
(б)
(в)
Рисунок 2. Фотографии капель водной фазы на горизонтальной пластине
и на вертикальном стержне: а) капли дистиллированной воды (две слева)
и капля раствора (справа) с концентрацией гексиламина 0,21 моль/л;
б) капля раствора с концентрацией гексиламина 0,10 моль/л; в) капля
раствора с концентрацией гексиламина 0,12 моль/л.
В то же время капля водной фазы, посаженная на вертикальную
поверхность (стеклянный стержень диаметром 2 мм), становилась более
выпуклой по мере увеличения гидрофобности (рис. 2б и 2в). При максимальной
гидрофобности (CHex = 0,21 моль/л) капли водной фазы скатывались
с вертикальной или наклонной (под углом 45º) поверхности, не закрепляясь
на ней.
Таким
образом,
при
увеличении
степени
гидрофобности
частиц
кремнезема увеличивались значения статических краевых углов капель воды
и капель масла на поверхности стекла. Краевые углы сидячих капель воды
в масле и капель масла в воде имели различные значения. Углы капель воды
и равновесного
водного
раствора
на
поверхности,
модифицированной
гексиламином, также различались между собой.
Список литературы:
1.
Нуштаева А.В.,
эмульсионных
Шумкина А.А.
(водных)
Свойства
пленок,
эмульсий
и
стабилизированных
свободных
кремнеземом,
модифицированным гексиламином // Коллоидный журнал. — 2013. —
Т.75. — № 3. — С. 359—365.
2.
Сумм Б.Д.,
Горюнов Ю.В.
Физико-химические
основы
смачивания
и растекания. — М.: Химия, 1976. — 232 с.
3.
Aveyard R., Binks B.P., Clint J. Emulsions stabilized by solely colloidal
particles // Advances in Colloid Interface Sci. — 2003. — V. 100—102. —
P. 503—546.
4.
Kaptay G. Interfacial criteria for stabilization of liquid foams by solid particles //
Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. — 2003. —
V. 230. — P. 67—80.
5.
Kruglyakov P.M. Hydrophile-lipophile balance of surfactants and solid particles:
Physicochemical aspects and applications. — Amsterdam. — Elsevier. —
2000. — 391 р.
6.
Kruglyakov P.M., Nushtaeva A.V. Chapter 16. Emulsion stabilized by solid
particles:
influence
of
the
capillary
pressure
//
Interfaces
Science
and Technology. — 2004. — V. 4. — P. 641—676.
7.
Nushtaeva A.V. Stabilization of emulsions and emulsion films by silica with
hexylamine // Mendeleev Communications. — 2012. — V. 22. — P. 225—226.
8.
Shang J., Flury M., Harsh J.B., Zollars R.L. // J. Colloid Interface Sci. — 2008. —
V. 328. — P. 299.