3.3 M¥°ení povrchového nap¥tí
3.3.3 Dynamické metody m¥°ení povrchového nap¥tí
Obrázek 3.7: Metoda maximálního p°etlaku v bublin¥. [34]
P°i dal²ím zvý²ení tlaku se objem bubliny zv¥t²uje, její polom¥r roste, bublina ztrácí stabilitu a odtrhne se. Tato metoda se pouºívá jako srovnávací. Je nezávislá na úhlu smá£ení. Takto m¥°it povrchové nap¥tí lze nap°. pomocí p°enosného bublinkového tenziometru Pocket Dyne. Z nam¥°ené hodnoty maximálního tlaku p°ístroj vypo£ítá povrchové nap¥tí. [28, 29]
3.3.3 Dynamické metody m¥°ení povrchového nap¥tí
Metoda oscilující kapky
Dal²í dynamická metoda pouºívaná k m¥°ení povrchového nap¥tí je metoda oscilu-jící kapky. Pro m¥°ení vyuºívá rezonan£ních vlastností systému tvo°eného kapkou jedné kapaliny, která se ú£inkem akustických sil vzná²í v druhé kapalin¥. Povrchové nap¥tí se vyhodnocuje ze zm¥°ené frekvence oscilující kapky, známé velikosti kapky, hustoty a viskozity kapaliny. P°i tomto postupu m¥°ení nep°icházejí kapaliny do styku s ºádnou dal²í pevnou látkou. Kapka m·ºe být udrºována po dlouhou dobu, coº umoº¬uje dostatek £asu na m¥°ení a monitorování zm¥n v mezifázovém nap¥tí.
Výhodou je m¥°ení p°i vysokých teplotách (m¥°ení povrchových nap¥tí roztavených kov·). [29]
Ke smá£ení dochází p°i styku povrchu pevné látky s kapalinou. Smá£ení lze charak-terizovat jako schopnost kapaliny pronikat do vnit°ních struktur systému nebo schop-nost kapaliny rozprostírat se na povrchu pevné látky vlivem kapilárních sil.
Smá£ení ovliv¬ují vlastnosti jednotlivých fází, které souvisí jak se smá£ivostí pevného povrchu tak i kapaliny.
Faktory ovliv¬ující smá£ení jsou
• povrchové nap¥tí, povrchová energie,
• mezipovrchové nap¥tí na rozhraních,
• adheze,
• fyzikáln¥ chemický charakter struktury povrchu pevné látky (chemiské sloºení, povrchové úpravy, £istota povrchu, povrchová drsnost, velikost a geometrie povrchu, polarita),
• fyzikáln¥ chemický charakter kapalné látky (chemické sloºení, viskozita, po-larita, objem, koncentrace),
• teplota.
O smá£ení povrchu pevné látky kapalinou rozhoduje velikost kontaktního úhlu, ozna£ovaného téº jako úhel smá£ení. Úhel smá£ení poskytuje vhodný zp·sob pro vizuální p°edstavu a pro popis geometrie rozhraní mezi kapalnou a pevnou fází, je tedy m¥°ítkem hydrofobnosti a hydro lnosti povrch·. [1, 42]
3.4.1 Kontaktní úhel smá£ení a Youngova rovnice
Kontaktní úhel smá£ení se vyskytuje na rozhraní t°í fází pr·se£nice t°í dvoufá-zových rozhraní, mezi pevnou látkou a plynem, kapalinou a plynem a pevnou látkou a kapalinou. Je to úhel, který svírá te£na k povrchu kapky, vedená v bod¥ styku kapky s rozhraním. Úhel smá£ení udává kvantitativní vyjád°ení rozsahu smá£ivosti pevných látek kapalinami a je jednou z mála p°ímo m¥°itelných vlastností fázového rozhraní pevná látka kapalina plyn. Podle velikosti úhlu smá£ení lze °íci, zda kapalina povrch pevné látky smá£í, nesmá£í nebo dokonale smá£í.
Pokud umístíme kapku kapaliny na rovný povrch pevné látky, mohou nastat tyto p°ípady:
1. Je-li povrchová energie pevné látky men²í neº sou£et povrchové energie ka-paliny a mezifázové energie pevná látka kapalina, γSG < γLG+ γLS, zaujme kapka kapaliny na povrchu pevné látky rovnováºný tvar. Kapalina, pevná látka
a plyn se stýkají v míst¥ ozna£ovaném jako linie smá£ení. Tvar kapky je charak-terizován kontaktním úhlem θ. Velikost kontaktního úhlu je dána rovnováºnou podmínkou Youngovou rovnicí
γSG − γLS = γLGcos θ. (3.14) 2. Pokud v²ak nastane γSG > γLS + γLG (povrchová energie pevné látky je v¥t²í neº sou£et povrchové energie kapaliny a mezifázové energie pevná látka ka-palina), dojde k rozet°ení kapaliny na povrchu pevné látky do souvislé vrstvy, cos θ ≥ 1 (obr. 3.8).
.
Obrázek 3.8: Rozestírání kapaliny. [34]
Z Youngovy rovnice vyplývá vztah pro výpo£et úhlu smá£ení [1, 29]
cos θ = γSG− γLS
γLG . (3.15)
Podle velikosti kontaktního úhlu mohou nastat následující situace:
1. Dokonalé smá£ení pevného povrchu kapalinou tato situace nastane, je-li γSG = γLS + γLG a θ = 0◦.
2. Smá£ení pevného povrchu kapalinou (obr. 3.9) tato situace nastane, je-li úhel smá£ení ostrý 0◦ < θ < 90◦ (0 < cos θ < 1).
.
Obrázek 3.9: Smá£ení povrchu kapalinou (p°isedlá kapka). [34]
3. Nesmá£ení pevného povrchu kapalinou (obr. 3.10) tato situace nastane, je-li úhel smá£ení tupý 90◦ < θ < 180◦ (0 > cos θ >−1).
4. Dokonalé nesmá£ení θ = 180◦. [1, 29]
Obrázek 3.10: Nesmá£ení povrchu kapalinou. [34]
3.4.2 P°ímé metody m¥°ení kontaktního úhlu
P°ímé metody jsou takové, které umoº¬ují m¥°it úhel smá£ení p°ímým goniomet-rickým m¥°ením.
Metoda naklán¥jící se desti£ky
M¥°ení úhlu smá£ení na naklán¥jící se desti£ce pat°í k historicky nejstar²ím a také k nejjednodu²²ím metodám. Podstata této metody spo£ívá v pono°ení desti£ky ze zkoumaného materiálu do kapaliny (obr. 3.11(a)) a poté je naklán¥na tak dlouho, aº je povrch kapaliny na jedné stran¥ desti£ky rovný aº k £á°e styku mezi deskou a kapalinou (obr. 3.11(c)). V tento moment svírá hladina kapaliny s rovinou desti£ky práv¥ úhel θ. P°i m¥°ení je d·leºité zajistit, aby povrchy desti£ky i pouºitá kapalina byly dokonale £isté. Metodu lze pouºít pro m¥°ení malých úhl· (men²ích neº 10◦).
[29]
.
Obrázek 3.11: M¥°ení kontaktního úhlu na naklán¥jící se desti£ce. [29]
Metoda m¥°ení úhlu smá£ení na p°isedlé kapce kapaliny
Jinou p°ímou metodou m¥°ení úhlu smá£ení je metoda m¥°ení úhlu smá£ení na p°isedlé kapce kapaliny, která je umíst¥na na rovinném povrchu pevné látky nebo na bublin¥ ulpívající k pevné látce pono°ené do kapaliny (obr. 3.12). Úhel θ m·ºe být m¥°en p°ímo mikroskopem nebo na fotogra i kapky. Ke snímání obrazu m·ºe být pouºita videokamera nebo makroskop. Vyhodnocení kontaktního úhlu se provádí pomocí po£íta£e (obr. 3.13), takto vyhodnocený úhel smá£ení je nam¥°en s p°esností
okolo 1◦. P°i vyhodnocování je velikost úhlu ur£ena pouze te£nou k sedící kapce v míst¥ kontaktu kapky s pevnou látkou. Výsledky této tradi£ní techniky závisí na p°esnosti m¥°ení, zru£nosti a zku²enostech obsluhy. Mohou být pon¥kud subjektivní a tím nep°esné. [29]
.
Obrázek 3.12: P°isedlá kapka (a) a ulpívající bublina (b). [34]
.
Obrázek 3.13: Schéma p°ístrojového uspo°ádání p°i m¥°ení úhlu smá£ení. [34]
3.4.3 Nep°ímé metody m¥°ení kontaktního úhlu
Metoda vzestupu kapaliny na svislé desce
Jedna z nep°ímých metod m¥°ení kontaktního úhlu je metoda vzestupu kapaliny na svislé desce (obr. 3.4). Tato metoda je popsána v kapitole 3.3.1 jako metoda pro m¥°ení povrchového nap¥tí. Ke zji²t¥ní kontaktního úhlu je t°eba znát hodnotu povrchového nap¥tí pro stejné fázové rozhraní. Pro desku dostate£né ²í°ky platí vztah
sin θ = 1− ∆ρgh2
2γ , (3.16)
získaný integrací Laplaceovy Youngovy rovnice. Zde ∆ρ je rozdíl hustot kapaliny L a vrchní plynné fáze G, θ je úhel smá£ení, h vý²ka vzestupu menisku a γ povr-chové nap¥tí. P°esnost metody závisí p°edev²ím na p°esnosti ur£ení vý²ky menisku.
K tomu se pouºívá katetometr, který umoº¬uje stanovit rozdíl vý²ek s p°esností na 0,003 mm. [1]
r·zných kapalin lze dopo£ítat, pakliºe jsou známé hodnoty povrchového nap¥tí ka-paliny, smá£ecí síla a geometrie vzorku [1, 37]
θ = arccos FW
γLG· P. (3.17)
3.4.4 Hystereze smá£ení
Je schopnost kapaliny vytvá°et p°i styku s pevnou látkou n¥kolik stálých úhl·
smá£ení, li²ících se velikostí od úhlu rovnováºného. Hystereze úhlu smá£ení se jasn¥
projevuje, je-li povrch pevné látky s nanesenou kapkou naklon¥ný. Úhel vzniklý ve spodní £ásti kapky se nazývá postupující θA(advancing) a je v¥t²í neº úhel ve vrchní
£ásti kapky, který se nazývá ustupující úhel θR (receding) (obr. 3.14).
.
Obrázek 3.14: Zm¥na úhl· p°i hysterezi smá£ení. [34]
Hystereze smá£ení je spojena s adsorbcí ne£istot na povrchu, jeho chemickou neste-jnorodostí a dal²ími faktory. [42]
3.5 Vlivy ovliv¬ující úhel smá£ení
Jeden z hlavních vliv·, který ovliv¬uje smá£ení, je struktura povrchu zkoumaného materiálu. Youngova rovnice platí pro ideální povrchy, které jsou dokonale hladké.
Reálné povrchy jsou ve skute£nosti nerovné (neexistuje dokonale rovný povrch) a dochází ke zm¥nám smá£ecích vlastností na t¥chto povr²ích. Takový kontaktní úhel ozna£ujeme jako skute£ný kontaktní úhel θ∗. Zm¥ny ve smá£ení na ideálním povrchu a reálném povrchu lze sledovat z asymetrie mezi hydrofobní stranou (cos θ < 0) v levé
£ásti grafu a hydro lní (cos θ > 0) v pravé £ásti grafu. Vztah nam¥°ených hodnot skute£ných kontaktních úhl· θ∗, stanovených na drsném povrchu, v·£i kontaktním úhl·m θ, získaným podle Youngovy rovnice na homogenním, rovinném povrchu, je zobrazen na obr. 3.15. V £ásti grafu pro hydrofobní £ást, byl zaznamenán r·st hodnoty θ∗, (který odpovídá poklesu cos θ∗). V p°ípad¥ hydrofobních povrch· je z°ejmá lineární závislost cos θ∗na cos θ, z po£átku ve shod¥ se vztahem publikovaným
Wenzelem, tedy se sm¥rnicí v¥t²í neº 1. Následn¥ je zaznamenána diskontinuita kontaktních úhl· a tento lineární r·st pokra£uje, ale s daleko men²í sm¥rnicí, to platí pro hodnoty cos θ blízké nule. Tedy úplného smá£ení θ∗ = 0◦ m·ºe být dosaºeno pouze pokud θ = 0◦. Hydro lnost hydro lních povrch· stejn¥ jako hydrofobnost hydrofobních povrch· m·ºe být zlep²ena nerovností povrchu. [7, 36]
.
Obrázek 3.15: Závislost kontaktního úhlu na hladkém povrchu v·£i hodnot¥ kontak-tního úhlu na drsném povrchu. [4]
3.5.1 Superhydrofobní povrchy
íci o povrchu, ºe je superhydrofobní, lze v p°ípad¥, pokud je kontaktní úhel smá£ení v rozmezí od 150◦ do 180◦. V p°írod¥ se tato schopnost vyskytuje na listech asi 200 rostlin, nap°. °e°icha, asfodel, drosera, kosatec, lotos (obr. 3.17). Odtud pochází název lotosový efekt pro superhydrofobní materiály. Povrchy tohoto typu mají t°i spole£né rysy.
• Jsou pokryté epikutikulárním lmem z vosku, který je £iní hydrofobní.
• Jsou zdobeny texturou jako jsou prohlubn¥, výstupky aj. typicky v °ádu 10 µm.
• Sekundární struktury povrchu jsou pokryté jemným chmý°ím.
Jak jiº bylo zmín¥no, lotos jako jedna z mnoha rostlin má hydrofobní povrch svých list·. Lotos je ve východních kulturách povaºován za symbol £istoty. Uctívali ho sta°í Egyp´ané, Indové i buddhisté, jelikoº vyr·stá z bahna na dn¥ vodních ploch, a p°esto z·stává p°ekrásn¥ £istý. Práv¥ to je zp·sobeno strukturou povrchu, ze které je ne£istota odnesena vodou obr. 3.16. Stejnou hydrofobní strukturu jako u rostlin lze nalézt i u ºivo£ich·, nap°. na k°ídlech motýl·, váºek, pe°í pták· a mnoho dal²ích.
V²echny tyto p°írodní materiály jasn¥ ukazují, ºe hydrofobita je ovlivn¥na strukturou povrchu zkoumaného materiálu. [36]
Obrázek 3.16: Obrázek (a) voda p°ejde p°es ne£istoty a neodnese je z povrchu, (b) princip odná²ení ne£istot ze superhydrofobního povrchu. [39]
.
Obrázek 3.17: Hydrofobní povrch lotosového listu a struktura jeho povrchu. [19]
U hydrofobních povrch· (θ > 90◦) je povrchová energie nesmá£eného povrchu γSG
niº²í neº povrchu smá£eného γSL, coº vyplývá z Youngovy rovnice. Tím dochází k vytvo°ení vzduchové kapsy pod nakápnutou kapkou kapaliny. Dojde tak k ulp¥ní kapky na sloºeném povrchu, který je tvo°en z £ásti pevnou látkou a z £ásti vzduchem (obr. 3.18). Na základ¥ poklesu povrchové energie, m·ºe kapka vody uloºená na mikrostrukturovaném povrchu zaujmout tém¥° sférický tvar. Za mikrostruktorovaný povrch povaºujeme takový, který má pravideln¥ rozmíst¥né mikroskopické zoubky, prohlubn¥ nebo rýhy (obr. 3.19) o konstantní velikosti b.
.
Obrázek 3.18: Kapka vody umíst¥ná na modelu mikrostrukturovaného hydrofobního povrchu. [36]
Protoºe konstantní polom¥r k°ivosti kapky je mnohem v¥t²í neº velikost mikrostruk-tury, je moºné mezifázové rozhraní kapalina pára zakreslit p°ímo. Úhel smá£ení lze získat, uváºíme-li malé posunutí kapky kapaliny po povrchu o hodnotu dx. Zm¥na velikosti povrchové energie dF na jednotku délky je pak rovna vztahu
dF = ϕs(γSL− γSG)dx + (1− ϕs)γdx + γdx cos θ∗, (3.18)
.
Obrázek 3.19: P°íklady vzorování povrchu k dosaºení jeho hydrofobicity (zoubky, prohlubn¥, prouºky). [5]
kde ϕsp°edstavuje pevnou £ást sloºeného povrchu pod kapkou. P°i pouºití Youngovy rovnice, kde zm¥na velikosti povrchové energie dF byla minimální, platí vztah
cos θ∗ =−1 + ϕs(cos θ + 1). (3.19) Na základ¥ rovnice (3.19) lze vyvodit dva záv¥ry: kontaktní úhel na mikrostruk-turovaném povrchu se blíºí hodnot¥ 180◦ (sférická kapka), ale nikdy této hodnoty nem·ºe dosáhnout, jelikoº ϕs < 1 nikdy nedosáhne hodnoty nula (stále musí e-xistovat rozhraní mezi kapalinou a pevnou látkou). Rozdíl mezi hodnotou 180◦ a hodnotou skute£ného kontaktního úhlu θ∗ m·ºeme ozna£it κ. Hodnota κ se m¥ní jako√
ϕspro hodnoty θ∗blízkého 180◦. Z této funkce je patrné, jak je obtíºné dosáh-nout hodnoty skute£ného kontaktního úhlu θ∗ blízké 180◦ pro hydrofobní povrchy.
Kaºdému zoubku o velikosti b, odpovídá povrchová energie γb2, zatímco povrchová energie roviny se rovná τb. Velikost τ odpovídá γa, kde a je mikroskopická délka.
Pokud bude platit b > a, pak nap¥tí povrchu v rovin¥ nebude mít vliv na posun kapky. [36]
Vliv drsnosti povrchu na smá£ení pevného povrchu charakterizoval jako první Wen-zel. Kontaktní úhel θ∗ byl získán s ohledem na malé posunutí kapky po zkoumaném povrchu o hodnotu dx. Pro zm¥nu velikosti povrchové energie dF na jednotku délky pak platí vztah
dF = d(γSL− γSG)dx + γdx cos θ∗, (3.20) kde d je parametr drsnosti povrchu. Je moºné ho de novat jako pom¥r mezi ideální povrchovou plochou v·£i zv¥t²ené povrchové plo²e v d·sledku její nerovnosti.
V p°ípad¥ rovnováhy, kdy zm¥na velikosti povrchové energie dF je minimální, získáme Wenzelovu rovnici
cos θ∗ = d cos θ, (3.21)
kde θ je Young·v kontaktní úhel.
cos θ < ϕs− 1 d− ϕs
. (3.22)
Z toho vyplývá ºe, pevná látka musí být dostate£n¥ hydrofobní (zna£ná velikost θ), aby byla dostate£n¥ stabilní pro vzduchové kapsy. Podmínka hydrofobnosti je vyjád°ena rovnicí (3.22), kdy cos θ < 0. Pokud by se hodnota θ nacházela v rozmezí mezi 90◦a minimální hodnotou danou rovnicí (3.19), vzduchové kapsy by byly nesta-bilní. [30, 36]
Cassie Baxter model
Tento model smá£ení je typický pro rovné povrchy, které jsou sloºeny ze dvou a více soustav (obr. 3.20). Kaºdá soustava se vyzna£uje vlastním kontaktním úhlem θ1a θ2
f1 a f2 jsou podíly daného povrchu (f1+ f2 = 1). Tento model platí za p°edpokladu, ºe jednotlivé oblasti jsou velmi malé ve srovnání s velikostí kapky. Pro výpo£et úhlu θ∗ je dán vzorec [12]
cos θ∗ = f1cos θ1+ f2cos θ2. (3.23)
.
Obrázek 3.20: Kapka umíst¥ná na chemicky heterogenní povrch. [12]
3.5.2 Vliv £lenitosti povrchu na kontaktní úhel
Jak jiº bylo popsáno vý²e, smá£ení povrchu lze ovlivnit jeho drsností. Pro vytvo°ení hydrofobního povrchu je d·leºitá nejen mikrostruktura povrchu, ale i rozvrºení dané mikrostruktury. Mikrostrukturované povrchy opat°ené zoubky, prohlubn¥mi a prouºky (obr. 3.19) byly testovány v [5] a porovnány s hodnotou θ∗, vypo£ítanou podle rovnice (3.19) s výsledky shrnutými v tab. 3.2.
Na mikrostrukturovaném povrchu se zoubkovou strukturou byl nam¥°en pevný podíl ϕs ≈ 0,05 a postupující kontaktní úhel θA = 170◦, který je tém¥° shodný s θ∗.
Nam¥°ený ustupující kontaktní úhel θR= 155◦je také velké hodnoty. Z toho vyplývá, ºe zoubkovaný mikrostrukturovaný povrch je superhydrofobní (obr. 3.21). Tento jev je také nazýván jako fakir drops. Kapka na tomto povrchu má tém¥r sférický tvar, protoºe je p°eváºn¥ usazena na vzduchu.
.
Obrázek 3.21: Kapka vody umíst¥ná na hydrofobním povrchu se zoubkovanou struk-turou. [5]
Povrch s prohlubn¥mi nedosáhl takové hydrofobnosti jako p°edchozí. To je dáno v¥t²ím podílem pevného povrchu ϕs ≈ 0,64, £ímº do²lo ke sníºení hodnot kontakt-ních úhl· θA= 138◦ a θR = 75◦.
Jako poslední byl testován povrch s mikrostrukturou prouºk·. V tomto p°ípad¥ je t°eba rozli²it kontaktní úhly nam¥°ené v kolmém sm¥ru k prouºk·m θA = 165◦ a θR = 132◦, které se li²í od nam¥°ených kontaktních úhl· v rovnob¥ºném sm¥ru θA= 143◦ a θR= 125◦. [5]
Tabulka 3.2: Nam¥°ené hodnoty ϕs, postupujícího úhlu θA, ustupujícího úhlu θR a skute£ného kontaktního úhlu θ∗. [5]
vzor povrchu ϕs θA[◦] θR[◦] θ∗[◦]
rovný 1 118 100
zoubkovaný 0,05 170 155 167 prohlubn¥ 0,64 138 75 131 prouºky (⊥) 0,25 165 132 151 prouºky (∥) 0,25 143 125 151
3.5.3 Superhydro lní povrchy
U hydro lních povrch· nastává zcela odli²ná situace od hydrofobních povrch·. Zde je preferovaný kontakt pevná látka kapalina. Rozhraní pevná látka kapalina více následuje nerovnosti povrchu pevné látky, coº vede k Wenzelovu kontaktnímu úhlu,
p°i nanesení kapky kapaliny na povrch. ást kapky je nasáta do mikrostruktury povrchu, p°i£emº dojde k vyt¥sn¥ní parní fáze pod kapkou za sou£asného nahrazení fáze kapalinou. Zbytek kapky se pak usadí na rozhraní pevná látka kapalina. Tento jev se nazývá knotový efekt. Podmínka pro tento d¥j je p°echod mezi kritériem pro rozestírání (θ = 0◦) a vsakování (θ < 90◦). Pro objasn¥ní knotového jevu lze zavést jednoduchý modelový povrch (obr. 3.22) ve stavu £áste£ného smá£ení (0◦ <
θ < 90◦). V tomto p°ípad¥ dochází pouze k £áste£nému smá£ení povrchu, vrcholky zoubk· z·stávají suché. Pak parametr ϕs ozna£uje £ást pevného povrchu, která z·stává suchá a parametr r ur£uje nerovnost povrchu pevné látky. Jestliºe vsakování postupuje vp°ed (sm¥rem doprava) o vzdálenost dx, dojde ke zm¥n¥ mezifázové energie dF na jednotku délky
dF = (γSL− γSG)(d− ϕs)dx + γ(1− ϕs)dx (3.24) kde £len (d − ϕs) odpovídá smá£ené oblasti povrchu (vnit°ní £ást mikrostruktury).
Ke knotovému jevu by m¥lo docházet, pokud hodnota dF bude záporná. [36]
.
Obrázek 3.22: Schématické znázorn¥ní hydro lního povrchu s knotovým jevem p°i nanesení kapky vody. [36]
Z Youngova zákona vyplývá podmínka pro vsakování, která tvo°í p°echod mezi rozestíráním a vsakováním. Je-li hodnota θ niº²í neº hodnota kritického kontakt-ního úhlu θC, nastane knotový jev. Pokud je hodnota vy²²í, pak platí Wenzelova teorie. Velikost θC je závislá na dvou parametrech a to na parametru povrchové drsnosti r a parametru frakce pevného povrchu ϕs.
Pro porézní povrchy, kde d → ∞, byla zji²t¥na hodnota θC = 90◦, zatímco pro lze de novat hodnotu kritického kontaktního úhlu mezi 0◦ a 90◦. Z toho vyplývá, ºe kontaktní úhel m·ºe být ovliv¬ován podle zm¥ny rozvrºení mikrostruktury povrchu.
Hodnotu skute£ného kontaktního úhlu θ∗ lze odvodit z malého posunutí kapky o vzdálenost dx po rovin¥ povrchu. Vzdálenost posunutí kapky o dx souvisí se zm¥-nou povrchové energie
dF = (γSL− γSG)ϕsdx− γ(1 − ϕs)dx + γ cos θ∗dx. (3.26)
Pokud se dF = 0, pak platí
cos θ∗ = ϕscos θ + 1− ϕs. (3.27) Z tohoto výrazu se potvrzuje, ºe knotový efekt opravdu zlep²uje smá£ení povrchu (θ∗ < θ). Dokonalé smá£ení (θ∗ = θ) drsného povrchu v²ak nastane tehdy, kdyº θ = 0◦. [4, 30, 36]
.
Obrázek 3.23: Kapka vody na rozhraní kapalina pevná látka pro (a) Wenzelovu teorii, (b) teorii knotového jevu. [48]
Pouºité polymery, chemikálie a p°ístroje
Pro experimentální £ást této práce byly pouºity dva polymery a to polykaprolakton a polyvinylbutyral. Jako rozpou²t¥dlo byla pouºita kyselina octová a ethanol. Jako kapalina na zkoumání smá£ení vyrobených vzork· byla pouºita destilovaná voda.
4.1 Polykaprolakton
Polykaprolakton (PCL) pat°í do skupiny semikrystalických biologicky degradovatel-ných syntetických alifatických polyester·. Jeho opakující se molekulové uspo°ádání se skládá z p¥ti nepolárních metylénových skupin a jedné relativn¥ polární esterové skupiny. Popsaná struktura dává PCL výjime£né vlastnosti. PCL je také kompati-bilní s mnohými polymery. V tabulce 4.1 je shrnutí vlastností polykaprolaktonu, kde E je Young·v modul pruºnosti, σp pevnost v tahu (nap¥tí do p°etrhnutí), εp
Tabulka 4.1: Vlastnosti polykaprolaktonu [25]
E [GPa] σp [MPa] εp [%] Tg [◦C] Tm [◦C]
0,21 - 0,44 21 - 42 300 - 1000 -72 ∼ -60 58 - 65
taºnost (prodlouºení do p°etrhnutí), Tgteplota sklovitého p°echodu, Tmteplota tání.
Polykaprolakton se p°ipravuje katalytickou polymerizací s otev°ením kruhu (ring-opening polymerization) ε-kaprolaktonu (ε-CL) za teploty okolo 140 150◦C. Jako katalyzátor je moºné pouºít 2-etylhexanoát cínatý, organické kyseliny a Lewisovy kyseliny. Syntéza PCL je zobrazena na obr. 4.1. Molekulová hmotnost se regu-luje p°idáním látek, které ovliv¬ují délku polymerního °et¥zce. P°eváºn¥ se pouºívá voda, primární alkoholy, aminy a dal²í. PCL je termoplastický, tím m·ºe být lehko tvarovatelný do r·zných podob pomocí r·zných technik jako jsou lisování, vst°ikování nebo odlévání. [3, 21, 32]
Polykaprolakton je díky své nízké teplot¥ tání vyuºíván v oblasti obalové techniky, nap°. sm¥s a PCL se ²krobem se pouºívá k výrob¥ rychle se rozkládajících
odpad-.
Obrázek 4.1: Syntéza polykaprolaktonu. [32]
kových pytl·. Polykaprolakton je díky biodegradabilní schopnosti hojn¥ vyuºíván v biomedicínských aplikacích. PCL je degradován hydrolýzou esterových vazeb za fyziologických podmínek (nap°. v lidském t¥le), proto lze tento polymer vyuºívat v implanta£ní oblasti. V medicínské oblasti m·ºe být PCL vyuºit jako nosi£ lé£iv (tablety s postupným uvol¬ováním aktivní látky), impregnované chirurgické ²icí materiály, biodegradabilní léka°ské pom·cky jako mikroporézní cévní st¥ny, scaf-foldy pro výrobu kompletního cévního implantátu. Degradace PCL je v porovnání s kyselinou polyglykolovou (PGA) a kyselinou polymlé£nou (PLA) výrazn¥ poma-lej²í. Degradace polykaprolaktonu s po£áte£ní molekulovou hmotností 50000 trvá okolo 3 let, rychlost hydrolýzy m·ºe být zm¥n¥na kopolymerizací s jinými poly-mery. Polykaprolakton je povaºován za netoxický materiál, kompatibilní s tkán¥mi.
[3, 32]
4.2 Polyvinylbutyral
Polyvinylbutyral m·ºeme nalézt pod t¥mito obchodními jmény: PVB, Butvarr, Butaciter, VinyliteXYHLr, Saflexr, Trosofilraj. Polyvinylbutyral neboli téº poly(2-propyl-1,3-dioxan-4,6-diyl-methylen) je polymer který se vyrábí reakcí polyviny-lalkoholu s butanalem v methanolu za katalýzy kyselinou sírovou. Fyzikální a chemické vlastnosti PVB se li²í v závislosti na obsahu jednotlivých sloºek. Tepelné a mecha-nické vlastnosti a viskozita roztoku jsou zna£n¥ ovlivn¥ny stupn¥m polymerizace.
Teplota Tg se pohybuje v rozmezí od 50◦C do 95◦C. Teplota Tm je v rozsahu od 160◦C do 210◦C. Nej£ast¥ji je PVB dodáván ve form¥ bílého prá²ku nebo granulí.
Polyvinylbutyral se nyní nejvíce pouºívá k výrob¥ vrstvených bezpe£nostních skel a to jak v automobilovém pr·myslu, tak i v architektu°e. Takové sklo má vysokou pevnost v tahu, odolnost proti rázu, transparentnost a pruºnost. Díky chemickým vazbám v PVB, dokáºe fólie pevn¥ drºet sklo i v p°ípad¥, ºe rozbité. V roce 1994 bylo vyprodukováno 68000 tun PVB a z toho bylo 66000 tun pouºito práv¥ na
Polyvinylbutyral se nyní nejvíce pouºívá k výrob¥ vrstvených bezpe£nostních skel a to jak v automobilovém pr·myslu, tak i v architektu°e. Takové sklo má vysokou pevnost v tahu, odolnost proti rázu, transparentnost a pruºnost. Díky chemickým vazbám v PVB, dokáºe fólie pevn¥ drºet sklo i v p°ípad¥, ºe rozbité. V roce 1994 bylo vyprodukováno 68000 tun PVB a z toho bylo 66000 tun pouºito práv¥ na