Umed

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
O picătură de lichid pe o frunză a cărei umezire este nefavorabilă

Umectarea sau umectarea este procesul care aduce în contact un lichid și o suprafață solidă . Acest lucru se întâmplă în prezența unei faze gazoase sau a unei alte faze lichide, nemiscibile cu prima, care poate fi descrisă în termeni generali ca fluide . Sistemul este complet descris de unghiul de contact (θ), definit ca unghiul format de tangenta la interfața lichid-fluid și de tangenta la suprafața solidă, la linia de contact dintre cele trei faze. Un unghi de contact scăzut (θ <90 °) descrie o situație în care solidul este parțial udat de lichid ( hidrofilicitate , în cazul apei), în timp ce un unghi de contact ridicat (θ> 90 °) descrie o situație în care solidul nu este foarte umed ( hidrofobicitate , în cazul apei). Este o proprietate care influențează obținerea atât a suprafețelor superhidrofobe cât și a suprahidrofilelor și este evaluată prin teste de unghi de contact. Superhidrofilicitatea, care literalmente înseamnă „o afinitate puternică cu apa”, conferă suprafeței umectabilitate maximă, datorită unghiului de contact dintre picătură și suprafață mai mic de 5 °, cu formarea unui film subțire continuu; dimpotrivă în prezența superhidrofobității („frică puternică de apă”), pentru unghiurile de contact mai mari de 150 °, nu există umectabilitate, favorizând formarea de picături izolate.

Teorie

Echilibrul forțelor de interacțiune dintre un lichid și un solid guvernează forma unei picături pe suprafață: forțele de aderență tind să mărească interacțiunea lichidului cu suprafața aplatizând picătura pe aceasta, dimpotrivă forțele de coeziune tind să scadă interacțiunea prin generarea formei care minimizează interacțiunea de suprafață, adică sfera .

Unghiul de contact (θ) este cel format între interfața lichid-vapori și solid-lichid. Este determinat de echilibrul forțelor de adeziune și coeziune. Tendința ca o picătură să se aplatizeze pe suprafață crește odată cu scăderea unghiului de contact, astfel încât unghiul de contact este o măsură inversă a umectabilității suprafeței.

Gradul de umectare depinde de tensiunea superficială a lichidului și de diferitele energii de interfață . Unghiul de contact este între 0 ° (umectabilitate completă sau perfectă) și 180 ° (absența umectabilității). O umezire favorabilă corespunde unui unghi de contact redus: aceasta dă naștere unei situații în care fluidul acoperă o porțiune mare a suprafeței. Dimpotrivă, o udare nefavorabilă se referă la cazul în care lichidul, neavând o afinitate chimică specială cu interfața solidă, formează picături compacte pe ea, adică cu un unghi de contact ridicat. Suprafețele cu umectare ridicată sunt denumite în mod generic hidrofile (cu referire la cel mai frecvent fluid, apa ), în timp ce cele cu umezire redusă sunt numite hidrofobe . Dacă o pulbere nu este bine umedă, apare fenomenul de flotație: pulberea plutește la suprafața lichidului datorită aerului care rămâne aderent la particule.

Pentru a modifica favorabil caracteristicile de umectare ale unei pulberi, se utilizează agenți de umectare (surfactanți) care scad tensiunea interfațială solid-lichid prin adsorbția cu lanțul lor de hidrocarburi (lipofil) pe suprafața hidrofobă a particulelor, în timp ce porțiunea lor polară este orientată spre faza apoasă. Se utilizează cantitatea minimă de agent de umectare (0,01 și 0,5%). Cantități excesive ar duce la spumare. Surfactanții utilizați au valori HLB cuprinse între 7 și 9.

Polimerii hidrofili cu proprietăți vâscoase (de exemplu carboximetilceluloză de sodiu, cauciucuri naturale) pot contribui la îmbunătățirea umectabilității solidelor hidrofobe.

În cele din urmă, se utilizează unii solvenți, cum ar fi alcoolul, glicerina, glicoli, care reduc tensiunea interfață lichid-aer prin pătrunderea aglomeratelor de praf și deplasarea aerului.

Aprofundarea

Echilibrul procesului de umectare la temperatură și presiune constante este atins atunci când energia liberă Gibbs este minimă. Energia liberă Gibbs, G , în procesul de udare este dată de:

G = σ lf A lf + σ sl A sl + σ sf A sf = σ lf A lf + (σ sl -σ sf ) A sl + σ sf A total ,

unde A lf , A sl și A sf sunt ariile de interfață lichid-fluid, solid-lichid și respectiv solid-fluid, iar A total este suprafața totală a suprafeței solide ( A total = A sl + A sf = constantă ).

În cazul unei suprafețe solide ideale, energia de udare Gibbs, în funcție de unghiul de contact geometric, are un singur minim. Unghiul de contact corespunzător acestui minim este definit ca unghiul de contact ideal . Dacă tensiunile de suprafață sunt constante pe întreaga interfață, unghiul de contact ideal coincide cu unghiul de contact rezultat din ecuația lui Young [1] .

În orice caz, după cum Gibbs remarcase deja [2] , valoarea tensiunilor de suprafață din vecinătatea liniei de interfață triplă se poate abate de la valorile interfețelor individuale măsurabile departe de linie. De fapt, fiecare dintre cele trei faze poate influența interacțiunea dintre celelalte două în imediata apropiere a liniei de contact. Cel mai mare efect se găsește în interacțiunea solid-lichid la nivelul nipului, unde tensiunea suprafeței interfeței este controlată de suprafața solidă (datorită densității sale mai mari) [3] .

Gibbs a propus [2] că această interacțiune reciprocă triplă ar putea fi descrisă prin conceptul de tensiune de contact , τ, care a fost ulterior exprimat în formă analitică pentru sistemul solid-lichid-fluid conform

cosθ i = cosθ Υ -τ / r b σ l [4] .

O altă metodă pentru a descrie acest efect este de a considera σ l ca o funcție a distanței de solid, mai degrabă decât ca o proprietate constantă [5] . Deși abordarea tensiunii de contact pare mai convenabilă, cele două modele trebuie, în principiu, să fie echivalente.

Ordinea de mărime a tensiunii de contact a fost subiectul dezbaterii, dar în literatura de specialitate mai recentă a fost limitată la 10 −9 -10 −11 N. Aceasta înseamnă că efectul tensiunii de contact este neglijabil pentru sistemele cu rază de curbură de ordinul micrometrelor. Prin urmare, pentru sistemele macroscopice, unghiul de contact ideal este practic coincident cu unghiul de contact definit de ecuația lui Young. Această echivalență va fi considerată valabilă pentru restul articolului [6] .

Suprafețe superhidrofile: fotocataliză și autocurățare

Conceptul de superhidrofilitate este strâns legat de procesul de fotocataliză. Fotocataliza este un fenomen natural în care o substanță, focuserul, dacă este iluminată cu o lungime de undă adecvată, modifică cinetica unei reacții chimice, cum ar fi descompunerea substanțelor poluante organice și anorganice. Unul dintre cei mai exploatați catalizatori pentru ieftinitatea și fotostabilitatea este dioxidul de titan. Dacă fotonul are o energie hν mai mare decât valoarea Eg (decalaj energetic), un electron (e-) se deplasează de la banda de valență la banda de conducere lăsând în urmă un loc liber (h +). TiO2 este un semiconductor cu un decalaj de energie egal cu Eg = 3,2 eV și dacă este iradiat cu fotoni de energie mai mari decât Eg (λ ≤385 nm), are loc etapa menționată mai sus. Sărbătorile au o puternică putere oxidantă, de natură să le facă să reacționeze cu apa absorbită pe suprafața lor, generând hidroxili; Posturile vacante și radicalii hidroxil sunt ambii puternic oxidanți și, ca atare, pot fi utilizați pentru oxidarea majorității contaminanților organici. Mai mult, oxigenul din aer acționează ca un acceptor de electroni pentru formarea ionului 〖• O〗 _2 ^, care este, de asemenea, capabil să oxideze moleculele organice. Din acest motiv, utilizarea TiO2 este foarte importantă pentru purificarea apei și a aerului. Mai mult, dacă luăm în considerare faptul că durata fotoactivării este direct legată de timpul de iradiere, putem deduce cu ușurință că activitatea fotocatalitică va fi maximă în timpul zilei, în timp ce va scădea noaptea. Dioxidul de titan poate cristaliza sub trei forme diferite: rutil, anatază și brookit, dintre care fazele de interes pentru fotocataliză sunt anataza și rutilul. Anataza este alcătuită din grupuri octaedrice TiO6 distorsionate care împart patru margini împreună, în timp ce structura rutilă este alcătuită din lanțuri de octaedri TiO6 cu un vârf comun. Din punct de vedere electronic, valoarea de exemplu a anatazei este egală cu 3,4 eV, cea a rutilului la 3,0 eV (brookite 3,3 eV). Știind că un foton de frecvență ν are o energie E egală cu hν, unde h este constanta lui Planck și că pentru o undă electromagnetică (în vid) este c = λν, indicând cu c viteza luminii în vid și cu λ lungimea de undă, avem că E = hc / λ, prin urmare lungimea de undă a fotonilor cu energie egală cu cea a decalajului este de 388 nm pentru anatază și 413 nm pentru rutil. Produsul hc este constant și este aproximativ egal cu 1240 eV ∙ nm. Prin urmare, diferența de bandă mai mică a rutilei permite absorbția unei porțiuni mai mari a spectrului electromagnetic. Procesul fotocatalitic poate activa mecanismul de autocurățare: pelicula de apă, insinuându-se între particulele de murdărie și suprafața unei ferestre, exercită o bună putere de curățare chiar și în absența surfactanților.

Realizarea suprafețelor superhidrofile

Metodele convenționale pentru depunerea filmelor de dioxid de titan pot fi realizate în vid sau non-vid. Prima secțiune include Depunerea chimică a vaporilor, Depunerea laser pulsată și pulverizarea; în al doilea rând, pe de altă parte, există înveliș de centrifugare, acoperire prin imersie, serigrafie și tehnici sol-gel. Pe de altă parte, aceste metode au limitări, cum ar fi: cantități mari de energie necesare, imposibilitatea exploatării substraturilor polimerice din cauza temperaturilor ridicate de utilizare și, în cazul metodelor fără vid, necesitatea utilizării solvenților, a căror îndepărtarea la sfârșitul procesului este dificilă (cu o scădere în consecință a proprietăților electrice, optice și de autocurățare ale filmului).

Pentru a depăși aceste dezavantaje, se folosește tehnica de depunere a aerosolilor (AD), datorită căreia se obține o aderență și o coeziune satisfăcătoare a pulberilor, de exemplu dioxid de titan, cu substratul, de exemplu de sticlă, în absența temperaturilor ridicate. și solvenți [7] .

Pe scurt, această metodă constă în amestecarea particulelor din care filmul urmează să fie creat într-un gaz pentru a forma un flux de aerosoli. După ce a fost tras printr-o duză, se așează pe un substrat pentru a genera filmul. Impactul, care are loc în camera de depunere, menținut în condiții de vid (pentru a preveni decelerarea particulelor de mare viteză înainte de impact), determină conversia unei părți a energiei cinetice în căldură, provocând o creștere a temperaturii în punctul de atingere. Urmează nașterea legăturilor dintre substrat și particule și între particulele înseși [8] .

Efectele asupra superhidrofilicității sunt exprimate în termeni de grosime a filmului și unghi de contact: unghiul de contact al unei picături de apă scade odată cu durata expunerii la lumina ultravioletă și cu grosimea crescândă a filmului depus. Explicația se încadrează în conceptul de transmitanță, definit ca raportul dintre intensitatea transmisă și intensitatea incidentă, în raport cu un λ dat. În special, cu cât grosimea L a filmului este mai mare, cu atât transmitanța T este mai mică, iar acest lucru se datorează unei creșteri a împrăștierii luminii, având în vedere limitele granulelor și porii din mezoscală.

Suprafețe superhidrofobe: nanostructură și autocurățare

Un comportament superhidrofob, care poate fi obținut industrial printr-un tratament, se găsește în natură și răspunde denumirii de „efect de lotus” și caracterizează suprafața frunzelor multor specii de plante. În general, compoziția suprafeței externe a plantelor este determinată de combinația a doi factori: morfologia celulelor epidermice și stratul de ceruri și lipide care acoperă capetele exterioare ale frunzelor. Rolul fundamental îl joacă ceara epicuticulară care permite creșterea tubulilor cu suprafață permanent hidrofobă. Aceste cristale conferă suprafeței o structură ierarhică la un nivel micrometric și sub micrometric care împiedică difuzia picăturii de apă care, nereușind să se extindă, se rostogolește lăsând suprafața uscată și curată [9] . Pentru a descrie o stare superhidrofobă, este necesar să se măsoare unghiurile de contact și unghiul de contact histerezis. Să presupunem că avem o picătură de lichid pe un plan: volumul său poate fi mărit prin adăugarea de apă, cu măsurarea consecventă a unghiului de contact al unghiului de alimentare θA; invers, prin scăderea apei din picătură, volumul scade, obținându-se un unghi de recesiune θR mai mic decât cel anterior. Diferența dintre cele două unghiuri, atunci când este diferită, definește unghiul de contact histerezis [10] . Un mic unghi de contact cu histerezis permite picăturii să se rostogolească mai degrabă decât să alunece, luând contaminanți cu ea. Structura ierarhică conduce la formarea și stabilitatea buzunarelor de aer, reducând zona de contact dintre cădere și suprafață.

Crearea suprafețelor superhidrofobe

La nivel nanometric, silica poate fi exploatată pentru a modifica structura unui substrat făcându-l hidrofob, dar este necesar să existe grupuri hidrofobe legate chimic de suprafață. De exemplu, polidimetilsiloxanul (PDMS) aparține unui grup de compuși, numiți siliconi. Comportamentul său viscoelastic și proprietățile superhidrofobe îl fac potrivit și perfect pentru crearea suprafețelor superhidrofobe. Există mai multe metode utilizate pentru atingerea acestui scop și una dintre acestea este depunerea chimică a vaporilor (CVD). Când particulele de silice acoperite cu PDMS sunt răspândite pe substratul de sticlă, suprafața devine superhidrofobă cu un unghi de contact care depășește 160 °. Rugozitatea care se formează poate fi analizată pe două scale: rugozitatea la nanoscală se creează datorită dimensiunii nanometrice intrinseci a silicei, pe de altă parte agregatele nanoparticulelor de particule de silice cu o dimensiune medie de sute de nanometri determină o rugozitate la scară mai mare [11] . PDMS a fost, de asemenea, exploatat pentru a acoperi nanoparticulele TiO2, prin intermediul unui tratament cu fascicul de electroni, promovând în mod stabil suprimarea activității lor fotocatalitice [12] .

Aplicații practice

Atât soluțiile super-hidrofile, cât și cele super-hidrofobe permit obținerea suprafețelor cu auto-curățare (în special pentru aplicații în exterior), cum ar fi, de exemplu, panouri pentru fațade și copertine ventilate. De fapt, una dintre principalele probleme ale fațadelor ventilate este legată de murdărirea acestuia ca urmare a agenților atmosferici, care determină necesitatea curățării periodice. Industria sticlei a identificat sticla autocurățată drept soluția avantajoasă, permițând o întreținere redusă. Voalul de apă, insinuându-se între particulele de murdărie și suprafața sticlei, exercită o bună putere de curățare. O sticlă plană superhidrofilă poate fi utilizată în multe cazuri, pentru siguranță (anti-ceață): prin urmare, mecanismul de autocurățare este activat printr-un proces fotocatalitic. În 2013, unii cercetători americani au creat ceea ce se numește „cel mai hidrofug vreodată”: folosind tehnologia laser, au creat o nanostructură pe un aliaj metalic, creând texturi particulare formate din structuri cu dimensiuni de ordinul unei milionimi de milimetru . Este capabil să schimbe dinamica lichidului care, fiind canalizat, nu se extinde prea mult pe suprafață și se retrage rapid. Rezultat: după impactul cu suprafața, picătura se întinde, apoi se retrage într-o formă neregulată și ricoșează [13] .

Petrofizică

În domeniul petrofizicii , studiile cu privire la umectabilitatea rocii din rezervor a depozitelor de hidrocarburi în ceea ce privește apa de formare și hidrocarburile prezente în porozitatea rocii sunt foarte importante pentru evaluarea productivității rezervorului.

Notă

  1. ^ T. Young, Un eseu despre coeziunea fluidelor , Phil. Trans. Roy. Soc, (Londra) 95, 65-87 (1805).
  2. ^ a b JW Gibbs, The scientific papers of J. Willard Gibbs , Vol. 1, 288. Dover Publications, New York (1961).
  3. ^ PG de Gennes, Wetting: statică și dinamică . Rev. Mod. Phys. 7, 827-863 (1985).
  4. ^ BA Phetica, Echilibrul unghiului de contact , J. Colloid Interface Sci. 62, 567-569 1977).
  5. ^ A. Marmur, unghiul Contac și echilibrul peliculei subțiri , J. Colloid Interface Sci. 148, 541-550 (1992).
  6. ^ J. Drelich, Semnificația și magnitudinea tensiunii liniei în sistemele trifazate (solid-lichid-fluid) , Suprafețe coloidale A 116, 43-54 (1996).
  7. ^ Filme de titanie transparente superhidrofile prin depunere supersonică de aerosoli. .
  8. ^ Consolidarea impactului la temperatura camerei (RTIC) a pulberii ceramice fine prin metoda de depunere a aerosolilor și aplicații pe microdispozitive .
  9. ^ Superhidrofobicitate în perfecțiune: proprietățile remarcabile ale frunzei de lotus .
  10. ^ unghiul de contact , la goldbook.iupac.org .
  11. ^ Pregătirea suprafețelor autocurățate cu o dublă funcționalitate de suprahidrofobitate și activitate fotocatalitică .
  12. ^ Pregătirea suprafețelor TiO2 superhidrofobe foarte stabile cu activitate fotocatalitică complet suprimată .
  13. ^ O nouă suprafață hidrofugă a fost inventată , pe ilpost.it .

Bibliografie

  • Bernard Zinzsner, Francois Marie Pellerin, Ghidul unui geoscientist pentru petrofizică , Editions Technip, 2007

Alte proiecte

Controlul autorității LCCN (EN) sh85146333 · GND (DE) 4005493-7 · BNF (FR) cb12124045z (data)
Adus de la „ https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Bagnatura&oldid=120880648 ”