Khi giọt nƣớc rơi trên bề mặt rắn sẽ tạo ra góc tiếp xúc giữa giọt nƣớc và bề mặt rắn. Tùy thuộc vào góc tiếp xúc, có thể phân biệt đƣợc bề mặt vật rắn là kị nƣớc hay ƣa nƣớc. Các loại bề mặt ƣa nƣớc nhƣ kim loại, thủy tinh sẽ làm giọt nƣớc rơi trên đó chảy loang ra thành một vũng nhỏ dính vào bề mặt. Bề mặt kị nƣớc nhƣ lá sen, cánh bƣớm làm cho giọt nƣớc co lại thành những hạt tròn giống nhƣ viên bi có thể di động đƣợc qua lại. Hình dạng một giọt nƣớc trên bề mặt ƣa/kị nƣớc đƣợc thể hiện trên hình 1.5.
Hình 1.5:(a) Giọt nước trên bề mặt kị nước; (b) giọt nước trên bề mặt ưa nước
Góc tiếp xúc là một đại lƣợng có thể đo đƣợc dễ dàng, cho biết độ ƣa/kị nƣớc của bề mặt vật liệu. Khi góc tiếp xúc lớn hơn 900, bề mặt vật liệu thể hiện tính kị nƣớc và khi góc tiếp xúc nhỏ hơn 900, bề mặt vật liệu thể hiện tính ƣa nƣớc. Bề mặt vật liệu và giọt nƣớc càng có sự tƣơng thích với nhau, góc tiếp xúc càng nhỏ.
19
Khi góc tiếp xúc lớn hơn 1500, bề mặt vật liệu trở nên siêu kị nƣớc, giọt nƣớc co lại thành hình cầu nhƣ hiện tƣợng nhìn thấy trên chảo rán có phủ lớp Teflon, góc tiếp xúc là 1800. Tại đó diện tích tiếp xúc giữa giọt nƣớc và bề mặt rất nhỏ, sự bám dính không xảy ra, giọt nƣớc di động khi nghiêng bề mặt.
1.6.1.1. Phương trình Yoang
Khảo sát hình dạng của giọt nƣớc trên bề mặt có lịch sử hơn 200 năm. Năm 1805, Yoang đã đƣa ra một công thức nổi tiếng về góc tiếp xúc của chất lỏng trên bề mặt rắn hoàn toàn nhẵn, phẳng và đồng nhất hóa học dựa vào sự cân bằng lực tại bề mặt tiếp giáp.
γ sv - γ SL
Cos θ = ———— (1.1) γ lv
Trong đó: γsv , γsl, γlv là sức căng bề mặt (năng lƣợng bề mặt) tại phân cách của rắn-hơi, rắn-lỏng, lỏng- hơi; góc tiếp xúc là góc tiếp xúc ở trạng thái cân bằng trên một mặt phẳng (hình 1.6).
Hình 1.6: Sự liên hệ giữa góc tiếp xúc theta và sức căng bề mặt theo công thức Yoang
Dựa vào công thức (1-1) nhận thấy, năng lƣợng bề mặt đƣợc dùng để dự đoán bề mặt vật liệu đó kị hay ƣa nƣớc. Theo định nghĩa, năng lƣợng bề mặt chính là năng lƣợng dùng để đánh giá mức độ tiếp xúc bề mặt giữa hai vật liệu. Nhƣ vậy, vật liệu cứng nhƣ kim cƣơng sẽ có năng lƣợng bề mặt lớn nhất, tiếp đó kim loại và sau cùng là polyme đƣợc nêu trong bảng 2.1.
20
Bảng 1.3: Năng lượng bề mặt của các vật liệu thông dụng [10]
Vật liệu Năng lƣợng bề mặt (mJ/m2 ) Kim cƣơng 9820 Bạch kim 2340 Đồng 1670 Vàng 1410 Sắt 1360 Silicon 1240 Bạc 1140 Kẽm 830
Silica (thành phần chính của thủy tinh) 290
Sáp paraffin 50
Polyethylene 32
Teflon 16
Một vật liệu có năng lƣợng bề mặt càng cao thì bề mặt càng ƣa nƣớc. Ngƣợc lại, các vật liệu polyme nhƣ polyetylen và Teflon có trị số năng lƣợng thấp nhất nên là các vật liệu kị nƣớc.
Những quan sát khác cho thấy, khi giọt nƣớc (hay chất lỏng) nhỏ lên bề mặt lồi lõm hay bề mặt rỗ của vật liệu xốp sẽ làm cho góc tiếp xúc thay đổi. Nhƣ vậy góc tiếp xúc không những phụ thuộc vào năng lƣợng bề mặt của chất nền mà còn bị ảnh hƣởng bởi hình dạng của bề mặt. Lý thuyết Wenzel, Cassie- Baxter đã chứng minh đƣợc sự lồi lõm làm bề mặt ƣa nƣớc càng ƣa nƣớc, bề mặt kị nƣớc càng kị nƣớc. Những lý thuyết này xuất hiện từ những năm 70 dựa trên những lý luận đơn giản.
1.6.1.2. Phương trình Wenzel, Cassie-Baxter
Phƣơng trình Wenzel đƣợc thí nghiệm tại một bề mặt (hình 1.7), nơi mà chất lỏng có thể thâm nhập hoàn toàn vào bề mặt xù xì có rãnh khía và góc tiếp xúc trên
21 bề mặt nhám đƣợc đƣa ra bởi công thức sau:
Cos w r Cos
Trong đó: θw là góc tiếp xúc trên bề mặt nhám, θ là góc tiếp xúc trong phƣơng trình của Young trên bề mặt nhẵn, r là hệ số của bề mặt nhám, đƣợc xác định là tỷ số diện tích bề mặt thực tế và hình chiếu của nó (r=1 khi bề mặt nhẵn lý tƣởng, r>1 khi bề mặt thô nhám). Phƣơng trình Wenzel (1-2) cho thấy rằng, độ thấm ƣớt tăng khi bề mặt nhám.
Hình 1.7: (a) giọt nước rơi trên bề mặt theo mô hình Wenzel; (b) cách tính góc tiếp xúc theo mô hình Wenzel
Tuy nhiên, khi θ > 900 ở điều kiện bề mặt thô nhám không đồng nhất, bọt khí bị bẫy trong rãnh nhám. Trong trƣờng hợp này, giọt nƣớc ở ngay trên bề mặt đa lớp và trạng thái thấm ƣớt đƣợc xác định bởi công thức Cassie & Baxter.
Phƣơng trình Cassie- Baxter đƣợc xét đến trong những bề mặt đa lớp hoặc không đồng nhất. Trạng thái thấm ƣớt khác với trạng thái thấm ƣớt của Wenzel là giọt nƣớc đƣợc nằm trên đỉnh khe rãnh của bề mặt đƣợc thể hiện trên hình 1.8.
22
Hình 1.8: (a) giọt nước rơi trên bề mặt nhám theo mô hình Cassie;
(b) cách tính góc tiếp xúc theo mô hình Cassie.
Trong trƣờng hợp này, bề mặt lỏng phân chia thành hai pha, pha rắn -lỏng và pha lỏng- hơi. Góc tiếp xúc biểu kiến là tổng của tất cả các pha khác nhau và đƣợc xác định theo công thức:
Cosθc = f1Cosθ1 +f2Cosθ2 (1-3)
Trong đó: θc là góc tiếp xúc biểu kiến, f1 và f2 tƣơng ứng là hệ số bề mặt của pha 1 và pha 2. θ1, θ2 tƣơng ứng là góc tiếp xúc của pha 1 và pha 2. Phƣơng trình này là dạng tổng quát, chỉ áp dụng cho bề mặt không nhám. Khi bề mặt là mặt phân chia khí -lỏng, f là hệ số rắn, chính là hệ số của bề mặt rắn khi đƣợc chất lỏng thấm ƣớt. Chất khí có hệ số là 1-f. Với θ =1800 của chất khí, góc tiếp xúc có thể đƣợc tính theo phƣơng trình dƣới :
Cosθc = f cosθ + (1-f) cos1800 =f cosθ + f-1 (1-3)
Tham số f chạy từ 0÷1:
+ Khi f=0: giọt nƣớc chƣa tiếp xúc với bề mặt tại mọi điểm. + Khi f=1: giọt lỏng thấm ƣớt hoàn toàn.
Tóm lại, khi giọt lỏng trong trạng thái mô hình của Cassie, diện tích tiếp xúc giữa giọt lỏng và bề mặt nhỏ cho phép nó có thể lăn chuyển dễ dàng.
23
1.6.1.3. Góc tiếp xúc trễ
Góc tiếp xúc đƣợc đề cập ở trên là góc tiếp xúc tĩnh, đƣợc xác định rất thuận tiện trong trạng thái giọt lỏng trên bề mặt rắn. Tuy nhiên, góc tiếp xúc khác nhau có thể tồn tại suốt theo đƣờng tiếp xúc với chất không đồng nhất về hóa học. Một giọt nƣớc nhỏ có thể nằm bất động trên một mặt phẳng nghiêng, góc tiếp xúc ở mặt sau nhỏ hơn góc tiếp xúc ở mặt trƣớc của giọt (hình 2.5a). Hai góc liên kết khác nhau cũng có thể đƣợc quan sát thấy khi nƣớc đƣợc thêm vào hay rút ra từ một giọt. Khi nƣớc đƣợc thêm vào một giọt nƣớc thì góc liên kết sẽ tăng tới khi đƣờng thẳng tiếp xúc bắt đầu chuyển về phía trƣớc, góc tiếp xúc này gọi là góc tiếp xúc tiến. Mặt khác, khi rút nƣớc ra từ một giọt thì góc tiếp xúc sẽ giảm tới khi đƣờng thẳng tiếp xúc hạ xuống, góc tiếp xúc này gọi là góc tiếp xúc lùi (hình 2.5b). Sự khác biệt giữa góc tiếp xúc tiến và lùi gọi là góc tiếp xúc trễ. Góc tiếp xúc trễ là hệ số để đánh giá khả năng bám dính bề mặt của giọt lỏng. Do vậy, một bề mặt tự làm sạch khi nó có góc tiếp xúc trễ thấp.
Hình 1.9: (a) góc tiếp xúc trễ; (b) góc tiếp xúc tiến và lùi khi thêm hoặc rút
chất lỏng ra khỏi giọt chất lỏng