měření úhlu smáčení
measurement of contact angle
Úhel smáčení je jednou z mála přímo měřitelných vlastností fázového rozhraní pevná látka/kapalina/plyn. Může být stanoven přímým goniometrickým měřením nebo nepřímými, tenziometrickými metodami, popř. metodami založenými na geometrické analýze tvaru menisku.
Stanovení úhlu smáčení na hladkých rovinných površích
Přímé metody
-
Měření úhlu smáčení na naklánějící se destičce
patří k historicky nejstarším a nejjednodušším metodám. Destička ze zkoumaného materiálu je vnořena do kapaliny a poté nakláněna tak dlouho, až je povrch kapaliny na jedné straně destičky rovný až k čáře styku mezi deskou a kapalinou. V tomto okamžiku svírá hladina kapaliny s rovinou destičky právě úhel θ. Při měření je důležité zajistit, aby povrchy měřené kapaliny i destičky byly dokonale čisté. Metoda byla používána pro měření malých úhlů (menších než 10o).
Nevýhodou této metody je, že naměřená hodnota úhlu smáčení leží někde mezi hodnotami úhlu postupujícího a ustupujícího (viz
hystereze úhlu smáčení).
 |
|
|
Obr. 1 Měření úhlu smáčení na nakloněné desce
|
-
Měření úhlu smáčení na přisedlé kapce nebo přilínající bublině
Přisedlá kapka (obr. 2a) nebo bublina přilínající k tuhé látce ponořené do kapaliny (obr. 1b) je pozorována mikroskopem vybaveným goniometrickým okulárem, což umožňuje přímo odečíst úhel smáčení nebo je úhel vyhodnocován z fotografie kapky. V obou případech však přesnost metody není vysoká a značně závisí na zkušenostech experimentátora.
 |
|
|
Obr. 2 Přisedlá kapka (a) a přilínající bublina (b)
|
Při použití videokamery pro snímání obrazu kapky a počítače pro jeho digitalizaci a vyhodnocení (obr. 3) se přesnost zvyšuje a lze očekávat stanovení úhlu smáčení s přesností okolo 1º.
 |
|
|
Obr. 3 Schéma uspořádání při měření úhlu smáčení
|
Při stanovení úhlu smáčení je třeba brát v úvahu
hysterezi. Je proto nutné uvádět, zda měříme úhel postupující nebo ustupující. Většina publikovaných prací se týká postupujících úhlů. Experiment je pak uspořádán tak, že je snímán sled kapek, jejichž objem je postupným přidáváním malých množství kapaliny zvětšován, čímž roste i průměr kapky. Průměrná hodnota úhlu smáčení potom lépe charakterizuje zkoumaný povrch. Při pozorování velmi malých kapek se uplatňuje i vliv
liniového napětí a vliv zakřivení povrchu. Je proto doporučováno, aby průměr kapky činil alespoň
5 mm.
Nepřímé stanovení úhlu smáčení
Stanovení úhlu smáčení na drsných rovinných površích
Na
drsných površích, jako jsou např. biologické materiály, je měření kontaktních úhlů obtížné - nejen proto, že jejich hodnoty jsou malé, ale také proto, že povrchy jsou morfologicky i energeticky nestejnorodé, což vede k vytvoření linie smáčení nepravidelného tvaru. Kontaktní úhly odečtené na takových kapkách nejsou spolehlivé. Tyto problémy řeší
metoda analýzy profilu axisymetrické kapky na základě měření jejího průměru (ASDA-D) - modifikace metody
analýzy profilu kapky
[
79], [
19]. Kapka, umístěná na drsný povrch, je pozorována shora mikroskopem, snímána videokamerou, obraz digitalizován a vyhodnocen střední průměr kapky, který spolu se známým objemem kapky, povrchovým napětím kapaliny a rozdílem hustot kapaliny a okolní plynné nebo druhé kapalné fáze umožňuje vypočítat úhel smáčení. Mezi průměrem kapky
D, jejím objemem
V a úhlem smáčení byl odvozen vztah
I když hodnoty úhlu smáčení naměřené na drsných površích není možno použít pro vyhodnocení povrchových energií tuhých látek, mohou poskytnout cenné informace o smáčivosti daného povrchu.
Stanovení úhlu smáčení na práškovitých materiálech
Ne každá tuhá látka může být připravena ve formě vzorku s hladkým rovinným povrchem, vhodným pro měření úhlu smáčení obvyklými metodami.
-
Jednoduchou, i když málo přesnou metodou, je přímé měření kontaktního úhlu na přisedlé kapce (viz přímé metody), umístěné na povrch tablety, do níž byl práškovitý materiál zkomprimován. Tento způsob je často používán pro charakterizaci smáčivosti farmaceutických prášků a organických pigmentů, které není možno připravit ve formě vzorku s hladkým rovinným povrchem. Naměřené hodnoty však mohou být ovlivněny drsností povrchu, možnými plastickými deformaci prášku při přípravě tablet, botnáním částic nebo porézností tablet.
-
Pronikání kapaliny do sloupce práškovitého materiálu. Měření spočívá ve stanovení tlaku
p právě potřebného k zamezení pronikání kapaliny do pórovitého materiálu (obr. 4c, d), tj. tlaku daného
Laplaceovou-Youngovou rovnicí. Matematický popis je založen na modelu, který nahrazuje nepravidelnou síť kanálků ve skutečném materiálu (obr. 4a) soustavou válcovitých pórů o poloměru
R (obr. 4b)
Neznámý poloměr póru lze eliminovat pomocí experimentu s kapalinou (hodnoty označeny indexem 0), která dokonale smáčí studovaný materiál:
 |
|
|
Obr. 4 (a) Sloupec práškovitého materiálu, (b) modelování soustavou válcovitých pórů, (c) výška, do níž vystoupí kapalina v práškovitém materiálu, (d) měření tlaku potřebného k zamezení pronikání kapaliny do pórovitého materiálu
|
Uvedené vztahy použité pro výpočet úhlu smáčení předpokládají, že povrchová napětí měřené i kalibrační kapaliny (γℓg i (γℓg)0) jsou známa (měření povrchového napětí kapalin nepředstavuje problém). Metoda nevyniká vysokou spolehlivostí, ale je lepší než měření na vnějším povrchu tablet.
-
Měření rychlosti pronikání kapaliny do sloupce práškovitého materiálu. Poisseuilova rovnice může být použita i pro proudění kapaliny cylindrickými póry poloměru R vlivem tlakového rozdílu p na koncích kapiláry, který je dán rovnicí Laplaceovou-Youngovou rovnicí. Pro průtokovou rychlost platí
kde
h je hloubka penetrace kapaliny do sloupce práškovité látky (obr. 4c) a η viskozita kapaliny.
Také zde může být poloměr póru eliminován pomocí kalibrace kapalinou s nulovým smáčecím úhlem.
Grafy souvislostí do úrovně:
I 
II 
