Ângulo de contato medição teoria

Química de Superfícies

Os fundamentos das medições de ângulo de contato

Introdução

Em muitos campos da produção industrial, são comuns etapas de processamento que incluem o umedecimento de uma fase sólida. Existem muitas exemplos conhecidos tais como imprimir, pintar, borrifar, soldar. Geralmente estes são processos onde são geradas novas interfaces.

Interfaces

Tensão superficial pode ser observada em sistemas que consistem de duas ou mais fases. Uma fase é uma área restrita por superfícies que não tem alteração descontinuada de qualquer parâmetro físico como a densidade ou sua composição. Cada fase consiste de um ou mais componentes. As últimas são chamadas fases mistas. O contato entre duas fases vizinhas somente existe nas bordas das fases. Como matéria existem fases gasosas, líquidas e sólidas, são possíveis as seguintes interfaces.

• Líquido / Gás (p.e. Água / Vapor)

• Liquido / Liquido (p.e. Água / Óleo)

• Sólido / Líquido (p.e. Óxido de silício / Água)

• Sólido / Sólido (p.e Ouro/ Carbeto de silício)

• Sólido / Gás (p.e. Platina/ Hidrogênio)

As definições geralmente empregadas são as seguintes: “Superfície” é usada quando se considera a fase divisória entre um gás e um líquido ou um sólido. “Interface” é o termo usado quando se considera a fase divisória entre líquidos, sólidos, ou um líquido e um sólido. Não existem interfaces entre gases, geralmente são miscíveis em qualquer concentração. gassolidSurfaceInterfacesliquidSurface

Figura 1 Apresentação esquemática dos cinco limites de fases possíveis.

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Tensão Superficial

A figura 2 mostra um filme líquido para ilustrar a tensão superficial. Este filme líquido existe entre um corpo em forma de U e um fio móvel. Um peso que exerce a força FG , é necessário para manter o fio móvel em equilíbrio. Se FG for reduzida a lamina líquida irá estreitar. Se FG for aumentada, a lâmina irá aumentar até que se rompa. Poder-se-á observar que um e o mesmo peso mantém o fio móvel em equilíbrio independentemente de sua posição. Isto significa que a força que tenta estreitar o filme líquido e que é compensada pela força gravimétrica FG , é independente da área superficial geral do filme líquido. Se for gerada nova superfície, trabalho tem que ser feito:

WorkFdsG=⋅ Equação 1

Se este trabalho estiver normalizado para a área que for gerada 2·l·ds, é obtida uma quantidade de energia por área ou uma força por distância. Esta força Fσ 􀀀/ l , como mostrado na figura 2 é a tensão superficial σ.

WorkAreaFdsldsFlGG=⋅⋅⋅=⋅=22σ Equação 2

Portanto, a tensão superficial é uma medida para a quantidade de energia de uma superfície. O produto da tensão superficial e da área dá o trabalho que é necessário para gerar esta superfície. Se uma superfície líquida estiver livre de outras forças ela irá sempre tomar uma forma esférica. Isto irá minimizar sua própria área para um dado volume. Um exemplo é uma bolha de sabão flutuante. dsFGFσl

Figura 2 Ilustração da tensão superficial.

A tensão superficial pode ser interpretada como energia por área ou como força por distância. Por isso a dimensão da tensão superficial pode ser dada em J/m2 ou N/m. Geralmente são usadas as frações mJ/m2 ou mN/m. A tabela 1 dá uma visão a respeito de valores típicos de tensão superficial de líquidos comuns de teste e alguns comportamentos extremos. A divisão em porções dispersas e polares será explicada mais tarde.

2

Tabela 1 Valores de tensão superficial de alguns líquidos de teste e suas porções dispersas e polares.

σ

disperso

polar

[mJ/m2]

[mJ/m2]

[mJ/m2]

Perfluorhexano

11,9

11,9

0

iso-Pentano

13,7

13,7

0

Tolueno

28,4

26,1

2,3

Anilina

43,4

33,1

10,3

di-Iodometano

50,8

48,5

2,3

Formamida

59,0

39,4

19,6

Glicerina

63,4

37,0

26,4

Água

72,8

21,8

51,0

Comportamento extremo

Hélio (4 K)

0,12

Mercúrio (273 K)

476

Prata (1273 K)

801

Tântalo (3287 K)

2361

Energias superficiais livres

A superfície de sólidos não pode ser estreitada ou alargada reversivelmente. Além do trabalho que é necessário para adicionar nova superfície é necessário trabalho adicional para cortar as ligações que mantém o corpo sólido junto. Por isso a quantidade análoga à tensão superficial de líquidos não pode ser medida de maneira direta. Ela á chamada energia superficial livre. A molhabilidade de sólidos é influenciada principalmente pela energia superficial livre. Isto significa