Методы исследования и характеризации поверхностей. Поверхностное и межфазное натяжение. Тензиометрия и эллипсометрия

Сентябрь 8, 2022

Главная
Химия
Методы исследования и характеризации поверхностей. Поверхностное и межфазное натяжение. Тензиометрия и эллипсометрия

Содержание

2. Цель и задачи дисциплины Современные методы исследования твердой поверхности на микро- и наноуровне, включая электронную микроскопию,
3. Поверхностные и межфазные явления в химической технологии и материаловедении. Обзор инструментальных методов исследования и характеризации поверхности.
4. Там, где межфазные границы существенны, свободную энергию системы можно представить в виде суммы ее объемной и
5. σ = = = Кафедра коллоидной химии МИТХТ А V1 V2
6. Поверхностное натяжение некоторых жидкостей и твердых тел, мН/м Поверхностное натяжение ― характеристическая величина, т.е. оно характеризует
7. Поверхностное натяжение жидких металлов 7
8. Поверхностное натяжение: некоторые корреляции Кафедра коллоидной химии им. С.С. Воюцкого
9. Температурная зависимость: σt = σ0 – B·t Значения межфазного натяжения на границе двух несмешивающихся жидкостей определяют
10. Методы измерения поверхностного натяжения Проблема выбора Методы – статические, полустатические, динамические Статические методы: Метод капиллярного поднятия
11. Статические методы. Метод капиллярного поднятия Метод основан на определении разности уровней жидкости в капиллярной трубке радиусом
12. Статические методы Методы висячей (А) и лежачей (В) капли А В
13. Методы висячей капли и лежачей капли Эти статические методы особенно удобны для определения σжг и σжж
14. Метод веса (объема) капель Динамический метод веса (объема) капель, упрощенный вариант – сталагмометрический метод (счета капель
15. Динамическое поведение индивидуальных ПАВ Пример – UATMS Поверхностное натяжение ПАВ хорошо описывается уравнением для простого диффузионно-контролируемого
16. ККМ = 14.6 mM, pKa 3.3-3.6 Лауроилсаркозинат натрия: пром. образец SLSar, рН 6.3 пром. образец SLSar,
17. ДИНАМИЧЕСКОЕ ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ КАК КРИТЕРИЙ В ВЫБОРЕ ПАВ Критерий эффективности смачивателей Роль кинетики установления поверхностного натяжения
18. Динамическое натяжение – критерий эффективности ПАВ-смачивателей Surfynol 104 На примере смачивателя Surfynol 104
19. Полустатические методы. Метод отрыва кольца (А) и метод отрыва или втягивания цилиндра (В) А В Тензиометр
20. Прибор для измерения поверхностного натяжения и краевого угла смачивания
21. Поверхностное натяжение как критерий чистоты воды и ПАВ Конц. зависимости σ = f (lg c): А
22. Изотермы поверхностного натяжения растворов индивидуальных алкилтриметиламмонийбромидов (20 °С). Данные V.B. Fainerman, et al. (2014). Получены методом
23. Для измерения очень малых значений – статический метод вращающейся капли. Капля легкой фазы (обычно, масло) вводится
24. Пример использования метода вращающейся капли Тестирование систем для заводнения нефтеносных пластов 24 Лекция 11-12. Дисперсии и
25. Рекомендуемая литература Сумм Б.Д. Коллоидная химия, 4-е изд. – М.: ИЦ «Академия», 2014. – 239 с.
27. Скачать презентацию

Слайд 2

Цель и задачи дисциплины
Современные методы исследования твердой поверхности на микро- и

наноуровне, включая электронную микроскопию, сканирующую зондовую микроскопию, спектральные, в частности, рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию, Оже-спектроскопию, спектроскопию ионного рассеяния, ИК-спектроскопию многократно нарушенного полного внутреннего отражения.
Методы изучения уд. поверхности, дисперсности, пористости, смачиваемости, поверхностной энергии и поверхностного натяжения твердых и жидких межфазных поверхностей.
Задачи: 1) получить представление о современных методах исследования и характеризации поверхностей, контроля качества и состава покрытий; 2) приобрести важные дополнительные компетенции и практические навыки в исследовании поверхности материалов.

Московкий технологический университет
Кафедра коллоидной химии им. С.С. Воюцкого

Слайд 3

Поверхностные и межфазные явления в химической технологии и материаловедении.
Обзор инструментальных методов

исследования и характеризации поверхности. Модифицирование поверхностей и его контроль.
Связь поверхностного натяжения с химической природой веществ.
Роль поверхности, поверхностного натяжения в технологических процессах с жидкими и твердыми межфазными границами.
Межфазная тензиометрия. Современные тензиометры, их классификация, возможности и сферы применения.
Динамическое поверхностное натяжение и способы его оценки.
Эллипсометрия в исследовании адсорбционных слоев и тонких пленок. Принцип работы эллипсометоров.

План лекции

Слайд 4

Там, где межфазные границы существенны, свободную энергию системы можно представить в

виде суммы ее объемной и поверхностной составляющей:
F = FV + FS.
Нескомпенсированность молекулярных сил на границе раздела фаз проявляется в наличии запаса свободной поверхностной энергии FS, которая пропорциональна площади поверхности раздела S:
FS = σ·S,
где σ – коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом поверхностного натяжения. Его размерность (энергия, отнесенная к единице площади FS/S): Дж/м2 или Н/м.
Поверхностное натяжение можно трактовать двояко:
как удельную энергию, приходящуюся на 1 м2 поверхности (или работу, затрачиваемую на образование 1 м2 поверхности);
как силу, действующую вдоль поверхности раздела и препятствующую ее увеличению (растяжению, дроблению).

Поверхностное натяжение

Слайд 5

σ = = =
Кафедра коллоидной химии МИТХТ
А
V1
V2

Слайд 6

Поверхностное натяжение некоторых жидкостей и твердых тел, мН/м
Поверхностное натяжение ― характеристическая

величина, т.е. оно характеризует интенсивность молекулярных сил, действующих в данном веществе. Поверхностное натяжение скачкообразно растет с переходом от жидкого состояния вещества к твердому.
Методы измерения σ существенно различаются для жидкостей и твердых тел.

Слайд 7

Поверхностное натяжение жидких металлов
7

Слайд 8

Поверхностное натяжение: некоторые корреляции
Кафедра коллоидной химии им. С.С. Воюцкого

Слайд 9

Температурная зависимость: σt = σ0 – B·t
Значения межфазного натяжения на границе

двух несмешивающихся жидкостей определяют экспериментально или (приближенно) рассчитывают, используя правило Антонова: σ12 ≈ σ2 – σ1.

Температурная зависимость поверхностного натяжения некоторых жидкостей, мН/м

Слайд 10

Методы измерения поверхностного натяжения Проблема выбора
Методы – статические, полустатические, динамические
Статические методы:

Метод капиллярного поднятия
Методы висячей и лежачей капли
Метод втягивания пластинки
(Вильгельми) или стержня
Метод вращающейся капли (М/В)
Полустатические методы:
Метод отрыва кольца (Дю-Нуи) или
серьги
Метод, базирующийся на анализе формы капли (пузырька)
Динамические методы:
Метод объема (счета) капель
Метод максимального давления в
пузырьке
Метод колеблющейся струи

Применимость некоторых методов в зависимости от стоящих задач.
Данные из статьи Р. Миллера с сотр. SÖFW J. Рус. версия (2004) No. 4, 51-55.

Слайд 11

Статические методы. Метод капиллярного поднятия
Метод основан на определении разности уровней жидкости

в капиллярной трубке радиусом rо и в широком сосуде. Расчет проводят по формуле Жюрена:
Здесь h – предельная высота поднятия жидкости в капилляре. Ограничение метода – Θ ≠ 0. При отсутствии смачивания (Θ > 90°, cosΘ < 0) уровень жидкости в капилляре опускается на величину h. При полном смачивании Θ = 0, cos Θ = 1, и радиус мениска равен радиусу капилляра r0.
Высоту поднятия жидкости измеряют катетометром. Для повышения точности измерения используют табл. поправки Сагдена. Точность метода – 0,1 %.

Δh

Слайд 12

Статические методы
Методы висячей (А) и лежачей (В) капли
А
В

Слайд 13

Методы висячей капли и лежачей капли
Эти статические методы особенно удобны для

определения σжг и σжж очень вязких жидкостей, в т.ч. расплавов полимеров. Другие преимущества:
малый расход вещества
легкость контроля температуры
независимость результатов измерения от краевого угла (висячая капля).
Теория метода хорошо разработана и базируется на уравнении капиллярной статистики, которое описывает форму капли как фигуры вращения.

Метод висячей капли: σ = d2mΔρg/H
где: Δρ – разность плотностей жидкости и окружающей ее среды (газа или др. жидкости); Н – безразмерный параметр, который находят в таблицах Бешфорда-Адамса-Штауфера в зависимости от величины S = dS/dm (соотношения диаметра шейки и максимального диаметра капли).
Метод лежачей капли: σ = 0,5Δρgh2
Для крупных капель; h – расстояние от максимального сечения до вершины капли.

Слайд 14

Метод веса (объема) капель
Динамический метод веса (объема) капель, упрощенный вариант –

сталагмометрический метод (счета капель – динамический/полустатический).
Масса капли W, сформировавшейся на конце трубки, в момент отрыва пропорциональна силе поверхностного натяжения σ, действующей по периметру капли:
W = 2πKrσ,
где К = f (r/V1/3)– табл. поправка Гаркинса-Брауна (см., например: Русанов А.И., Прохоров В.А. Межфазная тензиомертрия. – СПб: Химия, 1994, с. 258-278).

Слайд 15

Динамическое поведение индивидуальных ПАВ Пример – UATMS
Поверхностное натяжение ПАВ хорошо описывается

уравнением для простого диффузионно-контролируемого процесса [N.C. Christov, et al., 2006]:
γ = γeq + sγ/(aγ + tage1/2)

λ – безразмерный параметр (константа прибора, учитывающая влияние расширения поверхности на динамическое поверхностное натяжение ПАВ); аγ – активность иона ПАВ; D – коэффициент диффузии. Для UATMS до ККМ D ≈ (1÷3) × 10–10 м2/с; D снижается выше ККМ (~6 × 10–11 м2/с при с = 40 mM и 2.5 × 10–11 м2/с при 60 мM).

Источник: Pletnev M., Semenova A., Zaitsev S. Adsorption characteristics of n'-undecylenamidopropyl-n"-trimethyl-ammonium methyl sulphate at the air – water interface.// Mendeleev Commun. (2014) No. 3, рр. 185-187.

Слайд 16

ККМ = 14.6 mM, pKa 3.3-3.6
Лауроилсаркозинат натрия:
пром. образец SLSar, рН 6.3
пром.

образец SLSar, рН 8.5

SLSar: Динамическое поведение на границе вода/воздух

Источник: Pontryagina A., Miller R., Pletnev M. Smart and Green Interfaces: Fundamentals and Diagnostics (SGI-FunD Symposium), Institute Phys. Chem. Bulgarian Acad. of Sciences, Sofia, Bulgaria, Oct. 29-31, 2015. – P. 115.

Динамическое поверхностное натяжение растворов SLSar при 25 °C. Метод максимального давления в пузырьке (BPA-1 Tensiometer, Sinterface).

Слайд 17

ДИНАМИЧЕСКОЕ ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ КАК КРИТЕРИЙ В ВЫБОРЕ ПАВ
Критерий эффективности смачивателей
Роль кинетики

установления поверхностного натяжения в практически важных процессах

Процессы смачивания в стирке, очистке тв. поверхностей
Струйная печать
Получение разных покрытий (лакокра-сочные, гальванические, ламинаты…)
Пеногенерация
Средства защиты растений
Диспергирование порошков и пигментов
Атомизация и эмульгирование жидкостей

Слайд 18

Динамическое натяжение – критерий эффективности ПАВ-смачивателей
Surfynol 104
На примере смачивателя Surfynol 104

Слайд 19

Полустатические методы. Метод отрыва кольца (А) и метод отрыва или втягивания

цилиндра (В)

Тензиометр Дю-Нуи: измерение усилия отрыва кольца, серьги или стержня

Слайд 20

Прибор для измерения поверхностного натяжения и краевого угла смачивания

Слайд 21

Поверхностное натяжение как критерий чистоты воды и ПАВ
Конц. зависимости σ =

f (lg c): А – очищенного индивидуального ПАВ; В – ПАВ, загрязненного более поверхностно-активной примесью;
С – смеси (технической фракции) ПАВ.

Слайд 22

Изотермы поверхностного натяжения растворов индивидуальных
алкилтриметиламмонийбромидов (20 °С). Данные V.B. Fainerman,

et al. (2014).
Получены методом максимального давления в пузырьке с экстраполяцией значений динамического натяжения до равновесного (t →∞).

Поверхностное натяжение «чистых» ПАВ

Слайд 23

Для измерения очень малых значений – статический метод вращающейся капли. Капля

легкой фазы (обычно, масло) вводится в толщу более тяжелой фазы. В состоянии покоя капля имеет форму шара.
Трубка вращается вдоль своей оси с определенной скоростью (частотой ω). При увеличении скорости вращения молекулы межфазного слоя подвергаются действию центробежных сил, направленных перпендикулярно оси вращения капилляра. Силы межфазного натяжения уравновешиваются центробежной силой, а молекулы в межфазном слое размещаются по поверхности цилиндра с радиусом r. Капля вытягивается вдоль оси вращения до достижения равновесия.
Принцип вращающейся капли используется, например, в тензиометре SITE100. Диапазон измерения межфазного натяжения – от 10–6 до 50 мН/м.

Метод вращающейся капли – для ультранизких межфазных натяжений

Слайд 24

Пример использования метода вращающейся капли
Тестирование систем для заводнения нефтеносных пластов
24

Лекция 11-12. Дисперсии и коллоиды в освоении, эксплуатации нефтяных и газовых месторождений

Слайд 25

Рекомендуемая литература
Сумм Б.Д. Коллоидная химия, 4-е изд. – М.: ИЦ «Академия»,

2014. – 239 с.
Щукин Е.Д., Перцов А.В., Амелина Е.А. Коллоидная химия, 3-е изд. М.: Высшая школа, 2004.
Русанов А.И., Прохоров В.А. Межфазная тензиометрия. – СПб: Химия, 1994, 400 с.
Григорьев Г.А., Киселев В.Я., Копытин В.С. Методы определения поверхностного натяжения жидкостей и энергии твердой поверхности. Уч. пособие. М.: МИТХТ, 2005, 69 с.
Handbook of Surface and Interface Analysis, Methods for Problem Solving, 2nd Edn./ Ed. by J.C. Riviere, S. Myhra. – Boca Raton – London: CRC Press, 2009, 682 pp.

Методы исследования и характеризации поверхностей. Поверхностное и межфазное натяжение. Тензиометрия и эллипсометрия

Содержание

Цель и задачи дисциплиныСовременные методы исследования твердой поверхности на микро- и

Поверхностные и межфазные явления в химической технологии и материаловедении.Обзор инструментальных методов

Там, где межфазные границы существенны, свободную энергию системы можно представить в

σ = = = Кафедра коллоидной химии МИТХТАV1V2

Поверхностное натяжение некоторых жидкостей и твердых тел, мН/мПоверхностное натяжение ― характеристическая

Поверхностное натяжение жидких металлов7

Поверхностное натяжение: некоторые корреляцииКафедра коллоидной химии им. С.С. Воюцкого

Температурная зависимость: σt = σ0 – B·tЗначения межфазного натяжения на границе

Методы измерения поверхностного натяжения Проблема выбораМетоды – статические, полустатические, динамические Статические методы:

Статические методы. Метод капиллярного поднятияМетод основан на определении разности уровней жидкости

Статические методыМетоды висячей (А) и лежачей (В) каплиАВ

Методы висячей капли и лежачей каплиЭти статические методы особенно удобны для

Метод веса (объема) капельДинамический метод веса (объема) капель, упрощенный вариант –

Динамическое поведение индивидуальных ПАВ Пример – UATMSПоверхностное натяжение ПАВ хорошо описывается

ККМ = 14.6 mM, pKa 3.3-3.6Лауроилсаркозинат натрия: пром. образец SLSar, рН 6.3 пром.

ДИНАМИЧЕСКОЕ ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ КАК КРИТЕРИЙ В ВЫБОРЕ ПАВКритерий эффективности смачивателейРоль кинетики

Динамическое натяжение – критерий эффективности ПАВ-смачивателейSurfynol 104На примере смачивателя Surfynol 104