Caracterizarea fizica a interfetelor

utilizand tensiometria

Drd Mihaela Alexandru

Specificatii tehnice

Domeniul de masurare: 0.001 - 2000 mN/m

Rezolutie (proba standard): 0.001 mN/m

Incarcarea maxima: 210 g

Precizia de cantarire 0.01 mg

Rezolutia fortei: 0.1 μN

Domeniul de masurare al unghiului de contact: 0-180°

Precizia de masurare a unghiului de contact: 0.01°

Calibrare si blocare: automata

Viteza platformei: 0.01-500 mm/min

Domeniul de temperatura: -10 ÷ +80°C

Dimensiuni: 240 x 330 x 620 mm

Module soft

Tensiometru Sigma700

(KSV Instruments, Finlanda)

Softuri tensiometru

Tensiunea superficiala/interfaciala

Unghi dinamic de contact

Concentratia critica micelara

Capacitatea de udare a pulberilor

Densitatea lichidelor

Electrobalanta Aparat deinregistrare

Capac

Celula de masurare lichid

Platformamonitorizata

Suportul clemei

Placuta/bara pentru masurare

Tensiunea superficiala

Tensiunea superficiala – este o masura a energiei de coeziune prezenta la interfata

provenind din dezechilibrul de forte dintre moleculele de la interfata (g/l, l/l).

Masurarea tensiunii superficiale/interfaciale cu ajutorul tensiometriei se bazeaza

pe masurarea fortelor de interactiune dintre o proba solida cu suprafata sau

interfata a doua fluide.

Metoda placutei Wilhemy - Se bazeaza pe interactiunea dintre placuta de platina si interfata lichidului de testat. Calculele pentru aceasta tehnica se bazeaza pe geometria placutei complet umede aflata in contact cu lichidul dar nu imersata in acesta.

Metoda inelului Du Nouy - utilizeaza interactiunea dintre inelul de platina cu interfata lichidului de testat. Inelul este imersat sub interfata si imediat ridicat. Atunci cand inelul este ridicat se formeaza un menisc al lichidului. In cele din urma acest menisc se desprinde de inel si revine la pozitia initiala.

toluen, DMF, acetona, benzen, apa, 1,2- dicloretan, cloroform, etanol,

hexan, diiodmetan, etandiol, diclormetan, alcool benzilic, piridina,

ciclohexan, tetracolura de carbon, dimetilsulfoxid, glicerol, Etc.

Valorile tensiunii superficiale determinate prin utilizarea tehnicii placutei Wilhemy pentru o serie de copolimeri siloxan-organici (solvent: DMF-

25 = 37,5 mN/m)

30.10,5S-O5

22.570,1S-O4

32,670,1S-O3

33.00,5S-O2

32.40,5S-O1

Tensiuneasuperficiala,

mN/ m

Concentratiasolutiei,

g/ dl

StructuraProba

CH3 CH3

CH3CH3

SiO

SiN N

- CH2 -

HCCH

-OHHO-

n

OH

HO

SiO

N N =

n

Si

CH3CH3

CH3CH3

SiO

N N =n

Si

CH3CH3

CH3CH3OHHO

Si SiO O

Si m

N N =

n

CH3CH3 CH3

CH3 CH3CH3OHHO(m=12)

CH3 CH3

CH3CH3

SiO

SiNH NH -

n

- CO - CO -

30.10,5S-O5

22.570,1S-O4

32,670,1S-O3

33.00,5S-O2

32.40,5S-O1

Tensiuneasuperficiala,

mN/ m

Concentratiasolutiei,

g/ dl

StructuraProba

30.10,5S-O5

22.570,1S-O4

32,670,1S-O3

33.00,5S-O2

32.40,5S-O1

Tensiuneasuperficiala,

mN/ m

Concentratiasolutiei,

g/ dl

StructuraProba

CH3 CH3

CH3CH3

SiO

SiN N

- CH2 -

HCCH

-OHHO-

n

OH

HO

SiO

N N =

n

Si

CH3CH3

CH3CH3

SiO

N N =n

Si

CH3CH3

CH3CH3OHHO

Si SiO O

Si m

N N =

n

CH3CH3 CH3

CH3 CH3CH3OHHO(m=12)

CH3 CH3

CH3CH3

SiO

SiNH NH -

n

- CO - CO -

Concentratia critica micelara CMC

Concentratia critica micelara reprezinta concentratia critica a unei substante amfifile

la care se formeaza micele

Moleculele amfifile contin doua componente ce difera prin afinitatea lor fata de solventi.

- partea hidrofila are afinitate pentru solventii polari, cum ar fi apa.

- partea hidrofoba are afinitate pentru solventii nepolari, cum ar fi hidrocarburile.

Moleculele unei substante amfifile se orienteaza la suprafata apei astfel incat partea polara interactioneaza cu apa iar cea nepolara este mentinuta deasupra suprafetei (aer sau lichid nepolar).

Prezenta acestor molecule perturba energia de coeziune de la suprafata, ceea ce duce la micsorarea tensiunii superficiale.

Surfactant siloxanic neionicCMC= 5,4*10-2 g/l

Si SiO O

Si m

N N =

n

CH3CH3 CH3

CH3 CH3CH3OHHO(m=12)

Dependenta tensiunii superficiale de concentratia ligandului siloxanic in DMF

CMCS-O4=67mg/l

S-O4

C. Racles, M. Cazacu, A.Ioanid, A. Vlad, Macromol. Rapid Commun. 2008, 29, 1527–1531

Unghiul de contact

• masura cantitativa a udarii unui solid de catre un lichid

• unghiul format de lichid la granita celor trei faze: lichida, gazoasa si solida

• forma picaturii si marimea unghiului de contact sunt controlate de cele trei forte de interactiune a tensiunii interfaciale a fazelor participante (gaz, lichid, solid).

• ecuatia Young se aplica pentru solide omogene, netede si rigide

Ecuatia Young

Unghiul de contact dinamic

Histerezisul unghiului de contact

H = a r

Principalul dezavantaj:

Proba trebuie sa fie simetrica si sa aiba o forma regulata:

• bara

• cub

• bara cilindrica

• dreptunghiulara

• sarma

• Etc.

Principalii parametri ai masuratorilor unghiurilor de contact cu apa

Proba θa θr H

A 85.52 42.12 43.40

B 96.03 51.19 44.84

Hamciuc, E., Hamciuc, C., Cazacu, M., Ignat, M., Zarnescu, G., Eur. Polym. J. 45 (1), 182-190, 2009.

COO

COOCO

OC

O

NH2 O O NH2

CN

NH2 CH2

CH2

CH2

Si O

CH3

CH3

Si CH2

CH2

CH2

NH2

CH3

CH3

p

CH2

CH2

CH2

SiO

CH3

CH3

SiCH2

CH2

CH2

p CO

NCO OC

NOC

Om

CH3

CH3

CON

COOCN

OC

OO O

CN

n

+

A: x = 1.00, y = 0.00, z = 1

B: x = 0.80, y = 0.20, z = 1

x y

z

Polimer Unghiurile dinamice cu apa

θaa θr

b Hc

C 86.75 42.49 44.26

D 89.50 44.77 44.73

CON

COOCN

OC

O R OO O n

CH3

CH3

CF3

CF3

C: R = D: R = ;

Unghiul dinamic de contact

Principalii parametri obtinuti din masuratorile unghiului de contact:

Proba % SiO2 Unghiul de contact dinamic Hc

θaa θr

b

Apa EG Apa EG Apa EG

P1 13,2 92.1 94.0 82.6 83.0 9.5 11.0

P2 52,8 102.6 80.9 77.4 65.5 22.5 15.4

a valoarea maxima a unghiului de contact la intrare; b valoarea maxima a unghiului de contact la iesire; c H = θa – θr

Ecuatiile Owens si Wendt

(1+cosθ) L = 2(sd L

d)1/ 2 + 2((sp L

p )1/ 2

Valorile tensiunii superficiale pentru cele doua lichide si componentele lor (mN/m) sunt

Apa: L1=72.8, L1p=51, L1

d=21.8

Etilen glicol: L2=48, L2p=19, L2

d=29

Valorile energiei libere de suprafata determinate pe baza unghiului de contact dinamic:

Proba Energia libera de suprafataa, mN/m

sd s

p s

P1 0.13 21.79 21.92

P2 16.88 1.69 18.57

acalculata pe baza ecuatiilor Owens si Wendt luand in considerare valorile unghiului de contact dinamic.

Capacitatea de udare a pulberilor

Metoda Washburn – se bazeaza pe masurarea gradului de penetrare a unui

lichid intr-un pat de pulbere comprimata rezultand o valoare medie a unghiului

de contact a particulei.

T = [/C2 cos]M2

T – timpul dupa contact

– viscozitatea lichidului

C – constanta materialului caracteristica probei solide

– densitatea lichidului

– tensiunea superficiala a lichidului

– unghiul de contact

M – masa de lichid adsorbita de solid

Un grafic Timp vs. Masa2 ar trebui sa conduca la o linie dreapta a carei panta este /C 2 cos

0

0,0002

0,0004

0,0006

0,0008

0,001

0,0012

0,0014

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

Time (s)

Mas

s 2 (g

)

Graficul utilizat pentru a calcula capacitatea de udare a pulberilor

S-O

OH

HO

SiO

N N =

n

Si

CH3CH3

CH3CH3

S-O2

Capacitatea de udare a pulberilor

Sedimentarea materialelor solide

Determinarea cineticii de sedimentare a solidelor în lichid

Dispozitivul de sedimentare este un disc rotund, acesta este cufundat la o anumită adâncime în lichidul ce contine materialul solid, simultan lichidul este supusagitarii magnetice. După ce agitarea este oprita soft-ul înregistreaza cantitatea departicule solide care sedimenteaza pe disc în lichid şi înregistreaza cresterea de masa funcţie de timp.

Determinarea densitatii lichidelor•Calibrarea dispozitivului de densitate

Dispozitivul de masurare

´lichid necunoscut = (F´/F) × apa

• Determinarea densitatii unui lichid necunoscut

Proiect CEEX-MATNANTECH 52/2006 Materiale siliconice nanostructurate multifunctionale (NANOSIMAT)

Director Proiect : Dr. Maria Cazacu

Proiect IDEI 5/2007Compusi siloxanici ca precursori pentru nanomateriale

Director Proiect: Dr. Carmen Racles