Tầm quan trọng của kiểm tra khả năng thấm ướt bề mặt vật liệu

Khả năng thấm ướt của bề mặt vật liệu là gì?

Khả năng thấm ướt được mô tả là xu hướng của chất rắn tạo ra một mặt phân cách chung với chất lỏng khi hai pha tiếp xúc với nhau. Một thước đo của khả năng thấm ướt của chất rắn đối với một chất lỏng cụ thể là góc tiếp xúc. Hồ sơ khả năng thấm ướt của chất rắn, còn gọi là “vùng thấm ướt” (wetting envelope), có thể được xây dựng thông qua việc xác định năng lượng tự do bề mặt, bao gồm thành phần phân cực và thành phần không phân cực của nó.

Góc tiếp xúc – Cơ sở đánh giá khả năng thấm ướt

Khi tồn tại một tương tác giữa chất lỏng và chất rắn, góc được tạo bởi tiếp tuyến của bề mặt giọt chất lỏng tại điểm tiếp xúc và mặt phẳng bề mặt chất rắn được mô tả là góc tiếp xúc θ về (chữ cái theta viết thường). Góc tiếp xúc (góc thấm ướt) là một thước đo khả năng thấm ướt của một chất rắn bởi một chất lỏng.

Trong trường hợp thấm ướt hoàn toàn (loang ra), góc tiếp xúc là 0°. Trong khoảng từ 0° đến 90°, chất rắn có thể thấm ướt và trên 90° nó không thể thấm ướt. Trong trường hợp các vật liệu siêu kỵ nước với cái gọi là hiệu ứng lá sen, góc tiếp xúc tiến gần đến giới hạn lý thuyết là 180°.

Theo phương trình Young, có một mối quan hệ giữa góc tiếp xúc  θ, sức căng bề mặt của chất lỏng σ_l, sức căng giao diện σ_sl giữa chất lỏng và chất rắn và năng lượng tự do bề mặt σ_s của chất rắn: Góc tiếp xúc với một hoặc nhiều chất lỏng có thể được sử dụng để xác định năng lượng tự do bề mặt của một chất rắn.

Ý nghĩa Góc tiếp xúc có vai trò quan trọng ở bất cứ nơi nào cần kiểm tra hoặc đánh giá cường độ tiếp xúc pha giữa các chất lỏng và chất rắn: phủ, sơn, làm sạch, in ấn, phủ kỵ nước hoặc ưa nước, liên kết, phân tán, v.v.

Các phương pháp đo

• Phân tích hình dạng giọt (Drop shape analysis): Góc tiếp xúc được đo bằng cách sử dụng hình ảnh của một giọt tĩnh (sessile drop) tại các điểm giao nhau (các điểm tiếp xúc ba pha) giữa đường bao của giọt và hình chiếu của bề mặt (đường nền).

• Phương pháp tấm Wilhelmy (Wilhelmy plate method): Lực tác động theo hướng kéo khi di chuyển một vật rắn dạng tấm theo chiều dọc trong chất lỏng được đo đạc. Lực này phụ thuộc vào góc tiếp xúc cũng như sức căng bề mặt và chiều dài thấm ướt.

• Đo góc tiếp xúc của bột bằng phương pháp Washburn (Powder contact angle measurement using the Washburn method): Sự gia tăng trọng lượng của một ống chứa đầy bột được nhúng vào chất lỏng được đo theo thời gian. Tốc độ dâng lên của cột chất lỏng phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó có góc tiếp xúc.

• Phương pháp khoảng cách nhìn từ trên xuống (Top-view distance method): Độ cong của bề mặt giọt liên quan đến góc tiếp xúc được đo bằng cách sử dụng khoảng cách giữa các điểm sáng phản xạ trên đỉnh của bề mặt giọt.

Năng lượng tự do bề mặt (Surface Free Energy – SFE)

Khi nào dùng khái niệm SFE, khi nào dùng sức căng bề mặt?

Năng lượng tự do bề mặt (SFE) là công cần thiết để làm tăng diện tích bề mặt của một pha rắn. SFE có ảnh hưởng quyết định đến khả năng thấm ướt của chất rắn bởi chất lỏng. Vì vậy, đây là một thông số quan trọng trong việc tối ưu hóa các quá trình phủ bề mặt, cũng như trong mọi dạng tiếp xúc giữa chất rắn và chất lỏng.

Về mặt vật lý, SFE và sức căng bề mặt (Surface Tension – SFT) là các khái niệm tương đương.

• Thuật ngữ SFE thường được sử dụng cho bề mặt rắn

• Thuật ngữ SFT thường được dùng cho bề mặt chất lỏng

Tuy nhiên, trong một số trường hợp, SFT cũng được dùng để chỉ năng lượng bề mặt của chất rắn.

SFE có đơn vị là mJ/m² (millijoule trên mét vuông) – tức năng lượng trên một đơn vị diện tích. Ngoài ra, đơn vị tương đương mN/m (millinewton trên mét), thường dùng cho SFT, cũng được sử dụng phổ biến.
Ký hiệu công thức thường là σ (sigma thường), đôi khi là γ (gamma thường).

Thuật ngữ “tự do” (free) cho biết đây là phần năng lượng có thể chuyển hóa thành công cơ học, trái ngược với năng lượng nội tại vốn bao gồm cả thành phần entropy liên quan đến nhiệt. Trong thực tế, từ “tự do” thường được lược bỏ.

Mối liên hệ giữa SFE và khả năng thấm ướt

Mọi hệ vật lý đều có xu hướng đạt đến trạng thái năng lượng tự do thấp nhất.

• Do sức căng bề mặt, chất lỏng luôn cố gắng giảm diện tích bề mặt của mình; trong môi trường không trọng lực, chúng tạo thành giọt hình cầu.

• Chất rắn không thể giảm diện tích bề mặt bằng cách biến dạng, nhưng chúng có thể tạo mặt phân cách với chất lỏng để giảm năng lượng tự do, tức là bị thấm ướt.

Vì vậy, SFE của chất rắn có mối liên hệ chặt chẽ với khả năng thấm ướt của nó.

Có thể tác động đến SFE như thế nào?

Khả năng thấm ướt tốt và năng lượng tự do bề mặt (SFE) cao là yêu cầu cần thiết trong các ứng dụng như dán keo, phủ bề mặt hoặc in ấn. Ngược lại, trong một số lĩnh vực khác như chống ăn mòn và chống ẩm, khả năng thấm ướt cần được giảm xuống. Do đó, nhiều quy trình kỹ thuật được áp dụng nhằm chuẩn bị bề mặt rắn trước khi tiếp xúc với chất lỏng, trong đó phần lớn các quy trình này trực tiếp hoặc gián tiếp làm thay đổi SFE.

Việc tăng SFE đặc biệt quan trọng đối với bề mặt nhựa. Các phương pháp phổ biến nhất bao gồm xử lý plasma, xử lý ngọn lửa và xử lý corona, cũng như các quy trình hóa học sử dụng tác nhân oxy hóa. Bên cạnh đó, làm sạch công nghiệp giúp loại bỏ các tạp chất có năng lượng thấp như dầu mỡ, từ đó làm cho bề mặt thể hiện SFE cao hơn.

Ngược lại, SFE thấp và khả năng thấm ướt kém thường đạt được bằng cách phủ các vật liệu có năng lượng bề mặt thấp. Những ví dụ điển hình là dụng cụ nấu ăn phủ PTFE hoặc việc sử dụng dầu để bảo vệ chống ăn mòn.

Mối quan hệ giữa SFE và góc tiếp xúc

Thước đo của khả năng thấm ướt là góc tiếp xúc (Contact Angle – CA), ký hiệu θ (theta). Góc này thường được xác định bằng phương pháp quang học, là góc tạo bởi tiếp tuyến của biên dạng giọt tại điểm tiếp xúc với mặt phẳng bề mặt.

Theo phương trình Young, góc tiếp xúc được xác định bởi trạng thái cân bằng lực của ba thành phần sức căng hoặc năng lượng, mỗi thành phần đều có xu hướng làm giảm diện tích bề mặt hoặc mặt phân cách:

• SFE của chất rắn: σ_s

• SFT của chất lỏng: σ_l

• Sức căng mặt phân cách rắn–lỏng (IFT): σ_sl

Phương trình Young mô tả mối quan hệ giữa các thành phần này:

Hình minh họa cho thấy góc tiếp xúc hình thành từ trạng thái cân bằng lực khi chất rắn bị thấm ướt theo mô hình của Young

Tính toán SFE từ dữ liệu góc tiếp xúc như thế nào?

Khi đo góc tiếp xúc bằng một chất lỏng có SFT đã biết, trong phương trình Young vẫn còn hai ẩn số: SFE cần tìm và sức căng mặt phân cách IFT. Do đó, chìa khóa của bài toán nằm ở cách mô tả IFT.

Nếu không có tương tác giữa chất lỏng và bề mặt rắn, hai pha sẽ hành xử như hai bề mặt độc lập. Khi đó, IFT sẽ bằng tổng của SFE và SFT, và góc tiếp xúc trong trường hợp lý thuyết này sẽ là 180° (cos θ = −1).

Trong thực tế, luôn tồn tại tương tác giữa hai pha, khiến IFT bị giảm đi bởi phần năng lượng sinh ra từ các tương tác này.

Có nhiều mô hình tính toán SFE, khác nhau chủ yếu ở cách diễn giải và tính toán các tương tác tại mặt phân cách. Phổ biến nhất là mô hình chia thành thành phần phân cực và phân tán, trong đó:

• SFE và SFT đều được tách thành phần phân cực và phần phân tán

• Giả định rằng chỉ các tương tác tương đồng mới xảy ra (phân cực–phân cực, phân tán–phân tán)

Để xác định SFE, cần đo góc tiếp xúc với ít nhất hai chất lỏng, trong đó SFT và các thành phần phân cực, phân tán của chúng đã biết. Phương trình Young sau đó được kết hợp với các phương trình mô tả tương tác để tính toán SFE.

Thành phần phân cực và không phân cực của SFE là gì?

Tương tác phân cực có cường độ tương đối mạnh, phát sinh do sự bất đối xứng vĩnh viễn hoặc cục bộ của mật độ electron trong phân tử.

• Nước là ví dụ điển hình cho chất lỏng có tính phân cực cao

• Thủy tinh là ví dụ tiêu biểu cho bề mặt rắn có tính phân cực mạnh

Tương tác không phân cực (phân tán) thường yếu hơn, phát sinh từ sự dao động ngẫu nhiên của mật độ electron trong phân tử, tạo ra sự phân bố điện tích tạm thời. Điều này dẫn đến lực hút tĩnh điện giữa các phân tử.

• Alkane và nhiều loại nhựa như polyethylene hoặc polypropylene chỉ có tương tác phân tán

• Đây cũng là nguyên nhân khiến nhiều loại nhựa khó bị thấm ướt bởi nước

Các phương pháp xử lý bề mặt nêu trên chủ yếu làm tăng thành phần phân cực của SFE, khiến bề mặt nhựa trở nên “giống nước” hơn. Theo mô hình hai thành phần, khả năng thấm ướt và bám dính đạt cực đại khi không chỉ SFE của chất rắn và SFT của chất lỏng tương đồng, mà cả các thành phần phân cực và phân tán cũng tương ứng với nhau.Hình minh họa cho thấy khả năng thấm ướt và bám dính phụ thuộc vào các thành phần phân cực và không phân cực

Các mô hình tính toán SFE

Fowkes là tác giả của công trình khoa học đầu tiên trong đó SFT của chất lỏng được chia thành các thành phần tương tác, và SFE được xác định dựa trên các thành phần này thông qua phép đo góc tiếp xúc.

Mô hình được sử dụng phổ biến nhất hiện nay là Owens–Wendt–Rabel–Kaelble (OWRK). Mô hình này dựa trên công trình của Fowkes và sử dụng góc tiếp xúc của hai chất lỏng có thành phần phân cực và phân tán đã biết để tính toán SFE.

Ngoài ra còn có các mô hình khác ít được sử dụng hơn, trong đó:

• Một số diễn giải khác nhau về thành phần phân cực và phân tán

• Một số không liên hệ trực tiếp SFE và SFT với các thành phần tương tác

Đo góc tiếp xúc bằng phương pháp phân tích tích hình dạng giọt

Phân tích hình dạng giọt (DSA) là một phương pháp phân tích hình ảnh dùng để xác định góc tiếp xúc từ ảnh bóng (shadow image) của giọt đặt trên bề mặt (sessile drop) và để xác định sức căng bề mặt hoặc sức căng mặt phân cách từ ảnh bóng của giọt treo (pendant drop).

Một giọt chất lỏng được nhỏ lên mẫu rắn (giọt đặt – sessile drop) hoặc nằm ở đầu kim nhỏ giọt (giọt treo – pendant drop). Hình ảnh của giọt được ghi lại bằng camera và truyền vào phần mềm phân tích hình dạng giọt.

Góc tiếp xúc của giọt bất động với đường nền

Bước đầu tiên là nhận dạng đường biên (contour recognition) dựa trên phân tích mức xám của hình ảnh. Ở bước thứ hai, một mô hình hình học mô tả hình dạng giọt được khớp (fit) với đường biên đã xác định.

Để tìm hiểu về các thiết bị đo góc tiếp xúc và kiểm tra năng lượng tự do bề mặt, vui lòng liên hệ với chúng tôi để được hỗ trợ tư vấn trực tiếp.

Nguồn tài liệu: Drop shape analysis | KRÜSS Scientific