Thông thường, tính thấm ướt bề mặt/tính năng siêu kỵ nước được đánh giá thông qua việc xác định góc tiếp xúc giọt nước với bề mặt và góc trượt/lăn của giọt nước trên bề mặt vật liệu.
3.3.2.1. Góc thấm ướt/góc tiếp xúc
Mức độ thấm ướt của chất lỏng trên bề mặt vật rắn được đánh giá thông qua góc tiếp xúc. Độ lớn của góc tiếp xúc giữa giọt chất lỏng trên bề mặt vật rắn chỉ ra khả năng dàn trải của giọt chất lỏng trên bề mặt. Khi sức căng giữa các bề mặt rắn, lỏng, khí đạt đến trạng thái cân bằng, góc hợp bởi tiếp tuyến tại vị trí tiếp xúc giữa bề mặt chất lỏng và bề mặt vật rắn với bề mặt vật rắn được gọi là góc tiếp xúc θ (hình 3.6).
Mối quan hệ giữa góc tiếp xúc và sức căng bề mặt có thể được biểu diễn theo phương trình của Young [14]:
cos θ = (γSL + γLV)/γSV
Young cho rằng các yếu tố ảnh hưởng đến độ lớn của góc tiếp xúc giữa
khí, γSL- lực căng bề mặt giữa giao diện lỏng và rắn, γLV- lực căng bề mặt giữa giao diện khí và lỏng, nhưng phương trình của Young đã giả thiết rằng bề mặt rắn là bề mặt nhẵn bóng, để lý tưởng hoá mô hình. Tuy nhiên, trong thực tế thì không thể có bề mặt nhẵn bóng hoàn toàn, do đó, độ lớn của góc tiếp xúc phải xem xét đến sựảnh hưởng của độ nhám/thô của bề mặt, như hình 3.7.
Hình 3.6. Góc tiếp xúc giữa giọt chất lỏng và bề mặt vật rắn [52] θ < 90o – bề mặt ưa nước; θ > 90o – bề mặt kỵ nước; θ > 150o – bề mặt siêu kỵnước
Hình 3.7. Mô hình tiếp xúc giữa giọt chất lỏng và bề mặt rắn theo
mô hình Wenzel (trái) và Cassie- Baxter (phải) [52]
Wenzel [15] căn cứ vào phương trình của Young đã thêm vào độ nhám r, r biểu thị tỉ lệ diện tích bên ngoài (diện tích mặt phẳng) và diện tích thật của bề mặt thực tế tại bề mặt tiếp xúc, tại thời điểm này, mối quan hệ giữa góc tiếp xúc θ của giọt nước với bề mặt rắn và lực căng bề mặt như sau:
cosθr = r(γSL + γLV)/γSV = rcosθ
Từ đó có thể thấy, khi độ nhám tăng đến một mức độ nhất định, sự tiếp xúc của các giọt nước trên bề mặt nhám là một góc tiếp xúc tổng hợp, các giọt nước sẽ tiếp xúc với không khí bị mắc kẹt trên bề mặt rắn, như phương trình Cassie [17] [16] (hình 1.4). Gọi f1, f2 lần lượt là phần diện tích chiếm chỗ của vật rắn và không khí, θ1 là góc tiếp xúc giữa giọt nước và bề mặt nhẵn, θ2 là
góc tiếp xúc giữa giọt nước và không khí. Góc tiếp xúc tổng hợp thực tếθ’ được tính theo phương trình sau:
cosθ'= f1cosθ1 + f2cosθ2
Do góc tiếp xúc θ2 giữa giọt nước và không khí là 180o, f1 + f2 =1, nên công thức này có thể được chuyển thành:
cosθ'= f1cosθ1 - f2 = f1cosθ1 - f1 - 1
Phương trình Wenzel và Cassie có thể được chuyển đổi với nhau dưới những điều kiện nhất định. Khi thay đổi cấu trúc hình học bề mặt rắn, tăng độ nhám của bề mặt rắn, trạng thái của các giọt nước trên bề mặt rắn sẽ được chuyển đổi từ mô hình của Wenzel sang phương trình Cassie [23]; sau khi bề mặt rắn bị mài mòn cơ học như ma sát, cấu tạo thô hoặc thành phần hoá học của bề mặt rắn sẽ bị phá huỷ, sẽ chuyển đổi từphương trình Cassie sang phương trình Wenzel [55] [61].
3.3.2.2. Hiện tượng trễ của góc tiếp xúc (Contact angle hysteresis)
Trong nghiên cứu tính thấm ướt của bề mặt vật liệu, nếu chỉ dựa vào độ lớn góc tiếp xúc tĩnh thì chưa đủđểđánh giá tổng thể mà cần xem xét đến hiện tượng trễ của góc tiếp xúc (Contact angle hysteresis).
Hình 3.8. Hiện tượng trễ của góc tiếp xúc (Contact angle
hysteresis)
Hiện tượng trễ của góc tiếp xúc phản ánh khảnăng lăn/trượt của giọt nước trên bề mặt vật rắn. Để đánh giá hiện tượng này có thể thông qua tính toán độ chênh lệch giữa góc tiếp xúc phía trước (θA) và góc tiếp xúc phía sau (θB) của giọt nước. Độ chênh lệch càng nhỏ thể hiện góc tiếp xúc trễ nhỏ, giọt nước dễ dàng lăn/trượt trên bề mặt vật rắn. Góc lăn/trượt là góc nghiêng của bề mặt vật liệu so với mặt đất () khi giọt nước bắt đầu lăn/trượt. Giá trị của góc này phản
ánh độ lớn của góc tiếp xúc trễ, có thể sử dụng góc lăn/trượt để thay thế cho việc đo góc tiếp xúc trễ. Có thể sử dụng độ lớn góc lăn/trượt để thay thế mô hình Wenzel và Cassie trong đánh giá tính thấm ướt của vật liệu. Trong mô hình của Wenzel, giọt nước dính vào bề mặt vật rắn, góc lăn/trượt lúc này khá lớn. Nhưng trong mô hình Cassie do diện tích tiếp xúc nhỏ, giọt nước dễ lăn/trượt, góc lăn/trượt nhỏ, bề mặt siêu kỵnước thường phù hợp với mô hình của Cassie, yêu cầu góc tiếp xúc lớn hơn 150o, góc lăn/trượt nhỏhơn 10o.