Контроль змочування рідинами поверхонь твердих тіл імпедансним методом

Abstract

Дисертаційна робота присвячена розробленню методу для проведення експрес-контролю ступеня змочування рідиною поверхні твердого тіла для комплексної оцінки змочувальних властивостей досліджуваної системи «тверде тіло - рідина - газ», оскільки характер поведінки рідини на поверхні твердого тіла визначають змочувальні властивості усіх середовищ, які беруть участь у взаємодії. Для контролю процесу змочування доцільно розглядати поверхневі властивості не кожної фази зокрема, а всієї системи у комплексі і здійснювати контроль у динаміці самого процесу розтікання рідини по досліджуваній твердій поверхні. На основі аналізу існуючих методів вимірювання поверхневих натягів рідин, твердих тіл та крайового кута змочування встановлено основні підходи для можливості визначення кількісної оцінки параметрів, що характеризують взаємодію контактуючих фаз при змочуванні рідиною поверхні твердого тіла. У роботі запропоновано застосовувати комплексну оцінку якісних параметрів змочування на основі швидкості розтікання рідини поверхнею досліджуваного тіла, а саме за швидкістю зміни площі розтікання, так як дана фізична величина залежить від змочування рідиною поверхні твердого тіла, поверхневого натягу рідини і твердого тіла, в’язкості рідини, а також від стану поверхні твердого тіла. Розроблено математичну модель процесу змочування рідиною поверхні твердого тіла на основі залежності крайового кута змочування від поверхневого натягу та діелектричних властивостей рідини при її розтіканні поверхнею твердого тіла, що дає можливість реалізувати процес контролю змочування та розтікання за зміною електричних параметрів досліджуваної системи. Для контролю процесу змочування досліджуване тверде тіло розташовують між електродами конденсатора. На поверхню твердого тіла з постійною витратою крапельно наноситься досліджувана рідина. При розтіканні рідини поверхнею твердого тіла змінюється імпеданс утвореної ємнісної комірки, який характеризує ступінь змочування у досліджуваній системі. При розтіканні рідини відбувається перерозподіл різних видів середовищ, які знаходяться між обкладкми конденсатора, що зумовлений зміною об’єму та форми краплі нанесеної рідини та повітряного прошарку. Визначальною характеристикою зміни загального імпедансу ємнісної комірки є зміна форми поверхні рідини, яка в першу чергу визначається змочувальними властивостями рідини відносно твердого тіла, а також діелектричними проникностями усіх середовищ, що присутні між обкладками конденсатора. У випадку контролю провідних твердих тіл, роль нижньої обкладки конденсатора відіграє сама поверхня твердого тіла, а міжобкладкове середовище включає тільки рідку і газоподібну фазу. В процесі досліджень впливу нерівності поверхні твердого тіла на процес розтікання встановлено, що форма контуру краплі розтікання залежить не тільки від величини нерівностей твердої поверхні та їх густини розподілу, але й орієнтації цих нерівностей відносно поступального руху рідини, які в одних випадках сприяють розтіканню рідини поверхнею твердого тіла (коли напрями співпадають), а в інших випадках перешкоджають, а бо й зовсім призупиняють процес розтікання в напрямку нерівності (при перпендикулярній орієнтації). Здійснено аналіз впливу поверхневого натягу та в’язкості рідини на поведінку краплі рідини в момент нанесення її на поверхню твердого тіла — динаміку відскоку та розтікання шляхом порівняння результатів досліджень для рідин з різними властивостями. Запропоновано здійснювати оцінювання ступеня змочування рідиною поверхні твердого тіла за бальною шкалою, що забезпечує ранжування рідин за їхніми змочувальними властивостями. Бали визначаються за кутами нахилу лінеаризованих апроксимованих залежностей зміни імпедансу в часі при розтіканні рідини. Згідно з запропонованим імпедансним методом градація рідин здійснюється шляхом розбиття діапазону зміни кута нахилу на 5 ділянок, кожна з яких відповідає певному ступеню змочування: 1 бал - низький ступінь змочування; 2 бала - середньо-низький ступінь змочування; 3 бала - середній ступінь змочування; 4 бала - середньо-високий ступінь змочування; 5 балів - високий ступінь змочування. Таке ранжування рідин дозволяє здійснювати порівняльну характеристику рідин та підбір рідини з оптимальними змочувальними властивостями відносно твердого тіла. Але дана градація справедлива для одного і того ж твердого зразка. Оскільки діелектрична проникність залежить від природи твердого тіла, а її значення можуть коливатися від одиниці і до десятків одиниць, що приводить до різних початкових значень імпедансів сухих зразків. Тому для деяких зразків твердих тіл з високим значення діелектричної проникності представляється складним визначити зміну імпедансу, спричинену розтіканням рідини поверхнею такого зразка. Тому при використанні даного методу вимірювань коректно оцінювати якість змочування різних рідин при їхньому розтіканні поверхнею одного і того ж твердого зразка. Для реалізації запропонованого методу контролю розроблено конструкцію та виготовлено прилад ВСЗ-1, котрий здійснює експрес-контроль ступеня змочування, який захищений патентом України на винахід і патентом України на корисну модель. Вимірювальний блок , між обкладками якого знаходиться система "тверде тіло-рідина", захищається екраном. За допомогою дозатора (шприца) наносять фіксований об’єм рідини на поверхню досліджуваного тіла. Автоматизоване дозування краплі здійснюється через передавальний механізм за допомогою крокового двигуна. Дискретне переміщення поршня дозатора задається блоком управління двигуном, який керується ЕОМ. Одночасно із нанесенням рідини здійснюється вимірювання зміни імпедансу вимірювальним перетворювачем, що реалізований на основі плати AD5433 (Analog Device), з наступною передачею сигналу на ЕОМ. Підбір оптимальних розмірів зразка базується на принципі максимального перекриття обкладок конденсатора та якомога меншої відстані між ними, що зумовлено мінімізацією впливу крайових умов тa підвищенням чутливості контролю відповідно. Здійснено метрологічний аналіз розробленого приладу на основі концепції невизначеності, в ході якого проаналізовано фактори впливу на процес вимірювання імпедансу для контролю ступеня змочування рідинами поверхонь твердих тіл та встановлено, що найбільший вплив на сумарну стандартну невизначеність має складова, пов’язана із невизначеністю ємнісної комірки, що дає підстави надавати особливо високі вимоги щодо дотримання заданих конструктивних розмірів комірки та розташування у ній досліджуваного зразка. Величина сумарної стандартної невизначеності склала 3,03%, що дає підстави стверджувати про доцільність розробки приладу ВСЗ-1 та достовірність отриманих результатів контролю за допомогою даного пристрою. В ході лабораторних досліджень за допомогою розробленого приладу здійснено контроль змочувальних властивостей чистих рідин - дистильованої води, етилового спирту та водяного 1% розчину ПАР (BYK LPD 6296. Вищевказані рідини суттєво відрізнялися між собою за значеннями поверхневого натягу: поверхневий натяг дистильованої води 73 мНУм, етилового спирту 22 мН/м, 50% водяного розчину спирту 38 мНУм та 1%-го водного розчину «BYK LPD 6296» 63 мНУм. В якості зразків твердих тіл було взято діелектрики із скла і склотекстоліту (СТ), провідні тіла із нержавіючої сталі та металочерепиця. Умови проведення досліджень підтримувались однаковими (температура 20-22°С, при нормальному атмосферному тиску). ідповідно до методики проведення контролю здійснено вимірювання зміни імпедансу ємнісної комірки при нанесенні з постійною витратою фіксованого об’єму рідини. Наступний крок контролю передбачає побудову графіка зміни в часі імпедансу та апроксимацію отриманих кривих лінійною залежністю для визначення кута їх нахилу. За кутом нахилу та розробленою бальною системою оцінювання здійснено ранжування рідин за їх змочувальними властивостями. При цьому отримані такі висновки: - дистильованій воді присвоєно найнижчі бали пікали градації ступеня змочуваності (1 бал), які відповідають низькому ступеню змочування; - 1 % розчин ПАР «BYK LPD 6296» відповідає низькому ступеню змочування відносно скла і металочерепиці (Ібал), та середньо-низькому ступеню змочування відносно склотекстоліту і нержавіючої сталі (2 бала); - етиловий спирт володіє високим ступенем змочування відносно усіх досліджуваних поверхонь (5 балів); Також в ході експериментальних досліджень здійснено прямі вимірювання крайових кутів змочування вищезазначених зразків водою та спиртом. Для скла із водою ККЗ становить 30°, а зі спиртом - 9°, для склотекстоліту- 52° і 20°, для нержавіючої сталі - 60° і 8°, для металочерепиці - 50° і 4° відповідно, що свідчить про високий рівень змочування спирту по відношенню до води. Значення ступеня розтікання для вищевказаних рідин, які визначені за допомогою розробленого приладу ВСЗ-1 підтверджуються значеннями прямих вимірювань. Для уточнення результатів вимірювань використано степеневу залежність зміни імпедансу в часі виду z(t) - а'tb +с для опису лабораторних досліджень, що забезпечує найменше значення СКВ між експериментальними та апроксимаційними залежностями. Згідно отриманих графіків та значень параметрів а,Ь,с можна зробити наступні висновки: - значення вільного кеофіцієнта с відповідає значенню імпеданса сухого зразка. - зменшення величини відношення коефіцієнтів а/Ь відповідає зменшенню крайового кута змочування, тобто зростає степінь змочування рідиною поверхні твердого тіла. У результаті проведених теоретичних та експериментальних досліджень вирішена важлива науково-прикладна задача, яка полягає в розробленні імпедансного методу та приладу для дослідження змочувальних властивостей при розтіканні рідини поверхнею твердого тіла. Наукові результати використані в навчальному процесі кафедри МПКЯ і СП ІФНТУНГ при проведенні студентами лабораторних та науково-дослідних робіт.

The dissertation is devoted to the development of a method for express-control of the degree of wetting a solid surface with liquid for the complex evaluation of the wetting properties of the investigated system "solid - liquid - gas", since the behavior of the liquid on the solid surface determines the wetting properties of all media involved in the interaction. In order to control the wetting process it is expedient to consider the surface properties of not every phase in particular, but of the whole system in the complex and to control the dynamics of the process of fluid circulation on the investigated solid surface. Based on the analysis of existing methods for measuring the surface tensions of liquids, solids and the Contact Angle, the main approaches for determining the quantitative estimation of parameters characterizing the interaction of contact phases .during wetting the solid surface are determined. The paper proposes to use a complex assessment of the wetting qualitative parameters on the basis of the fluid spreading | velocity over the solid surface being examined, namely, the rate of change in the spreading area, since this physical quantity depends on wetting the solid surface, the .surface tension of the liquid and solids, the viscosity of the liquid, as well as on the state of the solid surface. Developed was, the mathematical model of the process of wetting the solid surface with liquid on the basis of the dependence of the Contact Angle on the liquid surface tension and the dielectric properties upon its spreading over the solid surface, which makes possible to implement the control of wetting and spreading by changing the electrical parameters of the system under study. To control the wetting process, the test solid is located between the condenser electrodes. The studied liquid in the form of droplets is applied to the solid surface at a constant flow rate. When the fluid is spreading over the solid surface, the impedance of the generated capacitive changes, which characterizes the degree of wetting in the system under study. When fluid is spreading, there is a redistribution of different types of media that are located between the capacitor plates, which is caused by changes in the volume and form of the drop of the applied liquid and air layer. The determining characteristic of the change in the total impedance of the capacitive cell is the change in the shape of the surface of the liquid, which is primarily determined by the wetting properties of the fluid relatively to the solid, as well as the dielectric permeabilities of all media being available between the capacitor plates. In the case of control of conducting solids, the function of the bottom plate of the capacitor acts the solid surface itself, and the inter plate media includes only the liquid and gaseous phase. In the course of investigating the influence of the inequality of the solid surface on the spreading process, it has been established that the shape of the contour of the dispersion droplet depends not only on the magnitude of the roughness of the solid surface and on the density of the distribution, but also on the orientation of these inequalities with respect to the forward fluid motion, which in some cases contributes to the fluid spreading over the solid surface (when the directions coincide), and in other cases, interfere, or even completely suspend the spreading process in the direction of inequality (with perpendicular orientation). The analysis of surface tension and liquid viscosity influences on the behavior of a liquid droplet at the time of applying it to the solid surface - the dynamics of rebound i and spreading by comparing the results of studies for liquids with different properties I has been carried out. It is proposed to evaluate the degree of wetting solid surface with liquid according to grading scale, which provides a ranking of liquids according to their wetting properties. The points are determined due to the angles of the linearized vhich makes possible to implement the control of wetting and spreading by changing ;he electrical parameters of the system under study. To control the wetting process, the test solid is located between the condenser dectrodes. The studied liquid in the form of droplets is applied to the solid surface at a constant flow rate. When the fluid is spreading over the solid surface, the impedance of the generated capacitive changes, which characterizes the degree of wetting in the system under study. When fluid is spreading, there is a redistribution of different types of media that are located between the capacitor plates, which is caused by changes in the volume and form of the drop of the applied liquid and air layer. The determining characteristic of the change in the total impedance of the capacitive cell is the change in the shape of the surface of the liquid, which is primarily determined by the wetting properties of the fluid relatively to the solid, as well asThe dielectric permeabilities of all media being available between the capacitor plates. In the case of control of conducting solids, the function of the bottom plate of the capacitor acts the solid surface itself, and the inter plate media includes only the liquid and gaseous phase. In the course of investigating the influence of the inequality of the solid surface on the spreading process, it has been established that the shape of the contour of the dispersion droplet depends not only on the magnitude of the roughness of the solid surface and on the density of the distribution, but also on the orientation of these inequalities with respect to the forward fluid motion, which in some cases contributes to the fluid spreading over the solid surface (when the directions coincide), and in other cases, interfere, or even completely suspend the spreading process in the direction of inequality (with perpendicular orientation). The analysis of surface tension and liquid viscosity influences on the behavior of a liquid droplet at the time of applying it to the solid surface - the dynamics of rebound and spreading by comparing the results of studies for liquids with different properties nas been carried out. It is proposed to evaluate the degree of wetting solid surface with liquid according to grading scale, which provides a ranking of liquids according to their vetting properties. The points are determined due to the angles of the linearized approximated dependencies of the change in impedance in time when the fluid is spreading. In accordance to the proposed impedance method, gradation of liquids is carried out by partitioning the range of change of the angle of inclination on 5 sites, each of which corresponds to a certain degree of wetting: 1 point - low degree of wetting; 2 points - medium-low degree of wetting; 3 points - the average degree of wetting; 4 points - medium-high degree of wetting; 5 points - high degree of wetting. Such ranking of liquids allows for a comparative characterization of liquids and the selection of a liquid with optimal wetting properties relative to a solid. But this gradation is valid for one and the same solid sample; Since the dielectric constant depends on the nature of the solid, its values can vary from unit to tens of units, which leads to different initial values of the impedances of dry specimens. Therefore, for some samples of solids with high dielectric permeability, it is difficult to determine the change in impedance caused by the fluid being spreading over the surface of such a sample. Therefore, when using this measurement method it is correct to evaluate the quality wetting of different liquids when they are spreading over the surface of one and the same solid sample. In order to implement the proposed method of control, a design and manufacture of the WDD-1 device was developed. It carries out an express control of the degree of wetting, which is protected by the patent of Ukraine for an invention and the patent of Ukraine on the utility model. The measuring block between the plates is a solid-liquid system protected by a screen. With the aid of a dispenser (syringe), a fixed liquid volume is applied to the sample surface. Automated dosing of the droplet is carried out through the transfer mechanism using a stepper motor. Discrete displacement of the dispenser piston is provided by the engine control unit, which is guided by the computer. Simultaneously with the application of liquid, the measurement of the impedance change by a measuring converter is carried out on the basis of the AD5433 (Analog Device) board, followed by the transfer of the signal to the computer. The selection of optimal sample sizes is based on the principle of maximum overlapping the capacitor plates and the least possible distance between them, due to minimizing the influence of boundary conditions and increasing the sensitivity of the control, respectively. A metrological analysis of the developed instrument on the basis of the concept of uncertainty was carried out, during which the influence factors on the impedance measurement process were analyzed for controlling the degree of wetting solids surfaces with liquids, and it was established that the greatest influence on the total standard uncertainty has an element related to the uncertainty of the capacitive, which gives grounds to provide especially high requirements for observing the specified structural dimensions of the cell and the location of the sample in it. The total standard of uncertainty was 3.03%, which gives grounds for confirming the expediency of the development of the VSS-1 device and the validity of the control results obtained with this device. In the course of laboratory studies, the developed device tested the wetting properties of pure liquids - distilled water, ethyl alcohol and 1% water solution of surfactant (BYK LPD 6296). The above mentioned fluids differed significantly in terms of surface tension: the surface tension of distilled water was 73 mN/m , ethyl alcohol 22 mN/m, 50% water solution of alcohol 38 mN/m and 0.5% aqueous solution «BYK LPD 6296» 63 mN/m. Glass and glass-bounded reinforced dielektric material, the conducting bodies of stainless steel and metal tiles were taken as solids samples. The conditions for the research were maintained the same (temperature 20-22 ° C, at normal atmospheric pressure). In accordance to the control method, measurements were made of the change in the impedance of the capacitive when applied at a constant flow of the fixed liquid volume. The next step of control involves constructing a graph of changes in impedance time and approximating the curves obtained by linear dependence to determine the angle of their inclination. Due to the angle of inclination and the developed graded system, the ranks of the liquids according to their wetting properties have been carried out. Thus the following conclusions were obtained: - distilled water was assigned the lowest marks of the gradation scale of the degree of wettability (1 point), which corresponds to a low degree of wetting; - 1% solution of surfactant "BYK LPD 6296" corresponds to a low degree of wetting in relation to glass and metal (1 point), and medium-low degree of wetting relative to glass-bounded reinforced dielektric material and stainless steel (2 points); - ethyl alcohol has a high degree of wetting relative to all studied surfaces (5 points). Also, in the course of experimental studies direct measurements of the Contact Angle of the above mentioned samples with water and alcohol were carried out. For glass with water KKZ is 30 °, with alcohol - 9 V for glass-bounded reinforced dielektric material - 52 ° and 20 °, for stainless steel - 60 ° and 8 °, for metal tiles - 50 ° and 4 ° respectively, which indicates a high level of alcohol wetting in relation to water. The value of the degree of dispersion for the above liquids, which are determined by the developed device WDD-1, are confirmed by the values of direct measurements. To clarify the results of measurements, the power dependence of the variation of the impedance in time of the species z(t) - а'tb +с was used to describe the laboratory research, which provides the least value of average square deviation between experimental and approximation dependencies. According to the obtained graphs and parameter values, the following conclusions can be drawn: - a value of the free cefficient corresponds to the value of the impedance of the dry sample. - a decrease in the value of the ratio of the coefficients a / b corresponds to a decrease in the Contact Angle, that is, the degree of wetting the solid surface is ncreases. As a result of theoretical and experimental researches, an important scientific and applied problem was solved, which is in the development of an impedance method and a device for studying the wetting properties when fluid is spreads over the solid surface. Scientific results are used in the educational process of the Department of MDQC and PS, IFNTUOG in the course of carrying out laboratory and research work by the student.