Определение контактного угла методом лежащей капли

Метод смачивания (в данном случае метод лежащей капли) является экспрессным и информативным при исследовании поверхностных свойств твердых тел, а также поверхностных свойств жидкостей [17]. Метод основан на измерении краевых углов (θ) взаимодействия жидкости с поверхностью образца при различных условиях его модификации.

Существовавший до некоторого времени скептицизм в отношении смачивания как метода связан, в первую очередь, с высокой чувствительностью краевых углов к состоянию твердой поверхности и неконтролируемым примесям в жидкости. В настоящее время развитие теории смачивания, надежных методов очистки и тщательный подбор твердых поверхностей и жидкостей, а также методов обработки экспериментальных данных значительно расширили информативные возможности метода и области его применения.

Поверхностное натяжение – характеристика поверхностного слоя жидкости на границе с газовой фазой или другой жидкостью.

На рис.14 приведены изображения капли воды, полученные на микроскопе Prima Expert для разных материалов. По формуле связи контактного угла с поверхностным натяжением, измерив угол смачивания и зная характеристики жидкости и материала, можно определить поверхностное натяжение. Равновесный краевой угол (θ) капли жидкости на твердой поверхности определяется уравнением Юнга:

cosθ=(σ_s-σ_sl)/σ_l (5)

σ_s, σ_sl - удельные свободные поверхностные энергии твердого тела на границе с газом и жидкостью, σ_l - поверхностное натяжение жидкости.

σs σsl σl

Рис. 14. Изображения, полученные на микроскопе Prima Expert. Взаимодействие с водой: 1 – ПК, 2 – ПММА, 3 – К8.

Экспериментальные исследования.

Образцы и материалы

В качестве образцов использовались МФЧ из стекла и ПММА, а также пластины 5×5 мм из стекла и двух полимеров.

Стекло крон К8

В таблице 3 приведены данные по составу стекла К8.

Таблица 3.

Состав стекла К8

Соединение/ вещество	SiO2	В	ВаО	К2О	Na2O	As2O3
%	73.75	9.83	1.28	4.28	10.74	0.12

Полимерные материалы

Полимеры – это макромолекулярные субстанции с большим молекулярным весом. Они сформированы посредством реакции полимеризации, в которой куски мономеров соединяются в вытянутые цепочки или объемные сети полимерных цепей. Гомополимеры формируются, когда только один мономер остается несвязанным, и сополимеры (обычно с одинаковыми свойствами) получаются из разных мономерных частей. Полимеры можно классифицировать по их свойствам (и в соответствии с молекулярной структурой) в три группы: термопластики (кристаллические и некристаллические), эластомеры (или резины) и термореактивные полимеры (дюрапластики). Термопластики – это линейные или разветвленные полимеры, которые могут быть расплавлены при помощи тепла (например, полистирол (ПС), полиметилметакрилат (ПММА) и полиэтилен (ПЭ)). Эластомеры – поперечно слабосвязанные полимеры, которые могут быть легко растянуты, но принимают свой первоначальный размер после снятия напряжения (например, диметилсилоксан или ПДМС). И, наконец, термореактивные полимеры – это поперечно сильносвязанные полимеры, которые обладают нормальной жесткостью, хрупкостью и труднообрабатываемы (Бакелит, полиимид (ПИ)).

В данной работе исследованы два типа полимерных материалов: полиметилметакрилат и поликарбонат.

Полиметилметакрилат – ПММА. Марка ТОСП, ОАО «Дзержинское оргстекло».

Акриловое стекло - прозрачная или полупрозрачная (бесцветная или окрашенная) термопластичная производная акриловых смол. Основным компонентом в его составе является ПММА, в чистой форме состоящий из трех химических элементов: углерода, водорода и кислорода. ПММА производится путем ступенчатой полимеризации и поликонденсации мономера метилметакрилата. В процессе полимеризации молекулы мономера связываются в «гигантскую» молекулу полимера, представляющую собой пластмассу. Молекула ПММА представляет собой полимерную цепочку, которая может быть линейной, разветвленной, а также организованной в трехмерную сеть. Структурная формула ПММА представлена на рис. 15. В группе полимеров ПММА относится к термопластам. Термопласты характеризуются тем, что при комнатной температуре мягки или твердо-пластичны и состоят из линейных или разветвленных макромолекул. При нагревании термопласты размягчаются до текучести, а после охлаждения снова затвердевают. Полимеры этой группы плавки, пластично деформируемы и растворимы. Аморфные термопласты характеризуются полностью нерегулярным строением цепочки. Частично кристаллический термопласт, помимо аморфных, имеет кристаллизованные области, в которых линейные молекулы расположены параллельно.

Кроме того, акриловое стекло отличается высокой устойчивостью к старению и действию атмосферных факторов. Его механические и оптические свойства не изменяются заметным образом при многолетних атмосферных воздействиях. ПММА устойчив к ультрафиолету и не требует специальной защиты. Акриловое стекло можно обрабатывать резанием, а также производить горячую формовку.

При обработке акрилового стекла необходимо учитывать следующие особенности, свойственные термопластам: достаточно высокий коэффициент линейного теплового расширения, паро- и газопроницаемость (возможность поглощения водяного пара из окружающей среды и его выпаривание при снижении относительной влажности), чувствительность к механическим повреждениям (возникновение царапин), восприимчивость к тепловому излучению.

Рис. 15. Структурная формула ПММА.

Поликарбонат ( ПК) — относится к группе термопластов (сложные полиэфиры угольной кислоты и двухатомных спиртов) объединенных общей формулой (-O-R-O-CO-)_n. Структурная формула ПК приведена на рис. 16.В промышленности ПК получают методом межфазной поликонденсации, фосгенированием ароматических диоксисоединений в среде пиридина, и переэтерификацией диарилкарбонатов (например, дифенилкарбоната) ароматическими диоксисоединениями.

При переработке поликарбонатов применяют следующие методы формовки термопластичных полимеров: литьё под давлением (производство изделий), выдувное литьё (разного рода сосуды), экструзию (производство профилей и плёнок), формовку волокон из расплава. При производстве поликарбонатных плёнок также применяется формовка из растворов - этот метод позволяет получать тонкие плёнки из поликарбонатов высокой молекулярной массы.

Рис. 16. Структурная формула ПК.

ПК обладает высокой жесткостью и прочностью. Отличается хорошими оптическими свойствами, высокой теплостойкостью, незначительным водопоглощением, устойчив к УФ излучению, биологически инертен.
Поликарбонат растворяется в метиленхлориде, дихлорэтане. Устойчив к действию водных растворов минеральных и органических кислот, бензина, спиртов, масел, но не стоек к щелочам, концентрированным кислотам, органическим растворителям, к действию хлорсодержащих углеводородов жирного и ароматического ряда, диоксана, метакрезола и тетрагидрофурана.

В работе изучалось воздействие следующих растворов на вышеуказанные материалы:

1. Щелочь 0.1 NaOH.

2. Щелочь 0.5 NaOH.

3. Гипохлорит натрия (NaClO - натрий хлорноватистокислый, 3% водный раствор)

4. Этиловый спирт.

Эти растворы обычно используются для очистки поверхности микрочипов, их регенерации для повторного использования и других технологических операций. Но, тем не менее, их воздействие на поверхность микрофлюидных чипов не достаточно хорошо изучено.