Parametry ovlivňující proces elektrostatického zvlákňování 2.Přednáška LS 2017/18. Eva Kuželová Košťáková KNT, FT, TUL

Transkript

1 Parametry ovlivňující proces elektrostatického zvlákňování 2.Přednáška LS 2017/18 Eva Kuželová Košťáková KNT, FT, TUL

2 Elektrostatické zvlákňování Okouzlující jednoduchost tohoto procesu spočívá v samoorganizaci polymerního roztoku či taveniny do formy nanovláken jen s pomocí elektrického pole. Z fyzikálního hlediska se elektrostatické zvlákňování podobá stromu neobvyklého tvaru. Vyrůstá z kořenů" v tenké povrchové vrstvě polymerního roztoku (sloužící jako jedna ze dvojice elektrod) a pokračuje kmenem" představovaným stabilní částí proudu polymeru. Následující bičující zóna proudu polymeru vytváří jednotlivé větve" tohoto stromu. Jeho plody, tedy nanovlákna jsou zachytávána na druhé z elektrod spojené se zdrojem vysokého napětí (Lukáš 2007). 2

3 Elektrostatické zvlákňování 3

4 Vlastnosti elektrostaticky zvlákněných nanovlákenných vrstev - Velký specifický povrch - Vysoká porozita - Malá velikost pórů - Průměr vláken nm Zvlákňování roztoků nebo tavenin organické, syntetické polymery i biologické polymery

5 Proměnné elektrostatického zvlákňování Podmínky ovlivňující proces elektrostatického zvlákňování nanovláken Procesní podmínky -Uspořádání spinneru (např.menší průměr jehly = jemnější vlákna, Nanospider = více trysek = větší výkon) -Použité napětí -Vzdálenost od kolektoru -Okolní teplota -Vlhkost -Elektrické vlastnosti podpůrného nosného materiálu (např. antistatická úprava = rovnoměrnější vrstva) - Budeme se jim věnovat v následujících přednáškách

6 Vliv elektrického pole (zvyšování použitého elektrického napětí) při jehlovém zvlákňování PDLA vrstev (A) 20 kv; (B) 25 kv a (C) 30 kv (koncentrace 30 wt% PLA/DMF, dávkování 20 μl/min). Zong, X.H., Kim, K., Fang, D.F., Ran, S.F., Hsiao, B.S., and Chu, B. Structure and process relationship of electrospun bioabsorbable nanofiber membranes. Polymer 43, 4403,

7 Snižování vzdálenosti elektrod PA 6.6 (a) při vzdálenosti elektrod 2cm, (b) při vzdálenosti elektrod 0,5cm.

8 Proměnné elektrostatického zvlákňování Materiálové podmínky -Typ polymeru -Jeho molekulová hmotnost a distribuce molekulových hmotností -Rozpouštědlo a koncentrace (pro roztoky) -Teplota (pro taveniny) -Aditiva -Elektrická vodivost roztoku či taveniny -Povrchové napětí -Viskozita -. Jednotlivé proměnné se vzájemně ovlivňují jejich efekt nelze úplně oddělit! 8

9 NEJČASTĚJI ELEKTROSTATICKY ZVLÁKŇOVANÉ POLYMERY Z roztoku: PA 6, PA 6.6, PUR, PVA, PLA, PCL, PVP, PVDF, PGA, PLA... Z taveniny: PE, PP,...

10 Proměnné elektrostatického zvlákňování Doshi a Reneker klasifikovali parametry, které řídí tento proces, na: vlastnosti roztoků, kontrolované (řízené) proměnné a parametry prostředí. Doshi, J., and Reneker, D.H. Electrospinning process and applications of electrospun fibers. J. Electrostat. 35, 151, VLASTNOSTI ROZTOKŮ NEBO TAVENIN MATERIÁLOVÉ PODMÍNKY VISKOZITA, ELEKTRICKÁ VODIVOST, POVRCHOVÉ NAPĚTÍ, ADITIVA 10

11 VLASTNOSTI ROZTOKŮ - VISKOZITA VISKOZITA KONCENTRACE Koncentrace ovlivňuje zejména viskozitu, ale i povrchové napětí a elektrickou vodivost. Růst koncentrace polymerního roztoku bude při zachování stálých podmínek zvlákňování působit růst průměru elektrostaticky zvlákněných nanovláken až do určité meze. S růstem koncentrace roste viskozita postupně (od určité hodnoty viskozita narůstá významně). 11

12 VLASTNOSTI ROZTOKŮ - VISKOZITA 12

13 VLASTNOSTI ROZTOKŮ - VISKOZITA Vysoká viskozita (velká molekulové hmotnost) + sůl + relativně nízké napětí PVP +ATM ve vodě 3-8kV Stick electrospinning Needle-electrospinning Huang, et al., A review on polymer nanofibers by electrospinning and their applications in nanocomposites, Composites Science and Technology, 63 (2003),

14 VLASTNOSTI ROZTOKŮ - VISKOZITA 10 wt% PVB in etanol 5 wt% PVB in etanol 2,5 wt% PVB in etanol 14

15 VLASTNOSTI ROZTOKŮ - VISKOZITA

16 VLASTNOSTI ROZTOKŮ VISKOZITA x POVRCHOVÉ NAPĚTÍ Dependence of solution surface tension (squares) and solution viscosity (diamonds) as a function of concentration for PEO/water solutions. Deitzel, J.M., Kleinmeyer, J., Harris, D., and Tan, N.C.B. The effect of processing variables on the morphology of electrospun nanofibers and textiles. Polymer 42, 261,

17 Effect of polymer concentration on fiber diameter. Fibers were electrospun from solutions containing varying concentrations of poly(ethylene-co-vinyl alcohol) in 70:30 (v:v) 2-propanol: DI water. Top left: Fibers electrospun from a 5.5% (g/ml) solution. Top right: Fibers electrospun from an 8.5% (g/ml) solution. Bottom left: Fibers electrospun from an 11.5% (g/ml) solution. The following processing parameters were used for all experiments: applied voltage: 20 kv (+polarity), flow rate: 3 ml/h, capillary-collector distance: approximately 25 cm. In the bottom right panel the relationship between the average fiber diameter and the polymer concentration is given. Note that the mean fiber diameter increases monotonically with increasing polymer concentration. Additionally, it is evident that ribbon-like fibers are formed at higher concentrations (11.5%), which indicates incomplete polymer drying. (Error bars represent the standard deviation.).

18 PVA samples with degree of polymerization of 1700 ± 50 and DH values from 80% to 99% were obtained from Beijing Organic Chemical Plant, China and used without further purification. Distilled water was used as the solvent. SEM micrographs of electrospun fibers from PVA solutions with different solution concentration (DH = 98%, voltage = 8kV, tip target distance = 15 cm, flow rate = 0.2 ml/h). PVA concentration: (a) 6%; (b) 6.5%; (c) 7%; (d) 8%. Original magnification 10 k.

19 Korálky (perličky) Korálky na šňůrcách Šňůrky - vlákna Střední hodnota průměru vláken (nm) Vztah mezi koncentrací polymeru v roztoku, viskozitou roztoku a průměrem elektrostaticky zvlákněných polyakrylonitrilových vláken.

20 VLASTNOSTI ROZTOKŮ - VISKOZITA Electrospinning Electrospraying fibers beads 20

21 Elektrostatické zvlákňování extrémně zředěných roztoků k tzv. perličkovému efektu NEBO DOKONE AŽ k elektrostatickému rozprašování Viskoelastické síly v trysce jsou příliš malé k udržení vlákenné struktury. Rayleighova nestabilita V extrému = elektrospraying (např. voda) Rayleighova nestabilita rozpad kapalinových těles

22 Elektrostatické rozprašování neboli elektrospraying je metoda odvozená z procesu elektrického zvlákňování. Umožňuje výrobu velmi jemných částic z polymerního roztoku. Výrobní zařízení je stejné jako u elektrospinningu a může mít několik variant. Electrospraying NEEDLE - JEHLOVÝ electrospinning electrospraying

23 Elektrostatické rozprašování neboli elektrospraying electrospraying NEEDLE-LESS - BEZJEHLOVÝ Výrobní zařízení je stejné jako u elektrospinningu a může mít několik variant. Elektrostatické rozprašování lze realizovat i pomocí zvlákňování ze struny nebo z drátěnného válečku (NANOSPIDER). NEEDLE-LESS electrospraying

24 electrospraying

25 electrospraying Kapalina procházející nabitou kapilárou získá elektrický náboj potřebný k tvorbě kapiček. Kapalina letící z kapiláry směrem ke kolektoru je vystavena účinkům elektrického pole a dalších sil. Proud kapaliny je díky těmito silami přetvářen na velmi jemné kapičky. Ještě před jejich dopadem však dochází k odpařování rozpouštědla. Na kolektor již dopadají pouze suché částice polymeru submikronových rozměrů.

26 Electrospraying elektrostatické rozprašování F e elektrodynamická síla úměrná elektrickému poli F g gravitační síla F Q síla z prostorového náboje jakékoli dříve emitované kapky F setrvačná síla F h - síla přetvářecí Stokesova F s - povrchová síla

27 Příklad výsledku electrosprayingu elektrostatického rozprašování PVP 5hm% v etanolu

28

29

30

31

32

33

34

35 electrospraying

36 Různé možnosti enkapsulace pomocí elektrostatického rozprašování electrospraying

37 VLASTNOSTI ROZTOKŮ - VISKOZITA Při nízkých viskozitách (nízkých koncentracích roztoků) mohou vznikat nejen perličky (kuličky, korálky atd. = kulovité útvary), ale mohou být ve struktuře patrná různá spojení vláken a svazky vláken. Tyto vady jsou způsobeny dopadem ještě kompletně nevysušených vláken na kolektor = je možné zabránit zvýšením koncentrace (viskozity) roztoku Scanning electron micrographs of nanofibers electrospun from: (a) 4 wt% and (b) 10 wt% solutions of PEO in water. Deitzel, J.M., Kleinmeyer, J., Harris, D., and Tan, N.C.B. The effect of processing variables on the morphology of electrospun nanofibers and textiles. Polymer 42, 261,

38 VLASTNOSTI ROZTOKŮ - VISKOZITA ZMĚNA MOLEKULOVÉ HMOTNOSTI POLYMERU Photographs showing the typical structure in the electrospun polymer (PVA) for various molecular weights. a ,000 g/mol; b 13,000 23,000 g/mol; and c 31,000 50,000 g/mol (solution concentration: 25 wt. %). Reprinted from Ref. [6], copyright 2004, with permission from Elsevier Z. Li and C. Wang, One-Dimensional nanostructures, SpringerBriefs in Materials, DOI: / _2, Koski A, Yim K, Shivkumar S (2004) Effect of molecular weight on fibrous PVA produced by electrospinning. Mater Lett 58 (3 4):

39 VLASTNOSTI ROZTOKŮ ELEKTRICKÁ VODIVOST Zvyšující se elektrická vodivost (hustota náboje) roztoků vede k výrobě více uniformních vláken s méně defekty. Zvýšení elektrické vodivosti (hustoty náboje) vede k výrobě menších průměrů vláken. PVA +NaCl Pro některá spojení polymer + sůl ale může docházet k opačnému efektu. 39

40 Effect of NaCl amount in the PVA solution on fiber morphology (DH = 98%, voltage = 5kV, tip target distance = 10 cm; flow rate = 0.2 ml/h). NaCl amount based on H 2 O: (a) 0.05%; (b) 0.10%; (c) 0.15%; (d) 0.2%. Original magnification 10 k. Zmenšování průměru vláken se zvyšujícím se přídavkem soli. 40

41 The average diameter and the diameter distribution of PAA nanofibers are determined by FE-SEM picture analysis of 300 PAA nanofibers, as shown in Fig. 2. The smallest average diameter of PAA nanofibers was observed at the concentration of 0.01 M NaCl (79.6 nm). At the concentration of 0.1 M NaCl, the average diameter of PAA nanofibers slightly increased (88.8 nm). Without adding NaCl in PAA solutions, the largest average diameter of PAA nanofibers was observed (104.5 nm). Snižující se a následně opět zvyšující se průměr vláken PAA s rostoucím přídavkem soli NaCl. 41

42 VLASTNOSTI ROZTOKŮ ELEKTRICKÁ VODIVOST SEM images of PDLA membranes fabricated by electrospinning of a 30 wt% solution at voltage of 20 kv, feeding rate of 20ml/min and with 1 wt% of (A) KH2PO4; (B) NaH2PO4and (C) NaCl. Vliv různých solí na morfologii espin vláken PLDA This effect can be understood as follows. Besides the density of the charges carried by the jet, the size of the ions has an important impact on the resulting fiber diameter. Ions with smaller atomic radius have a higher charge density and thus a higher mobility under an external electric field. In this study, sodium and chloride ions have smaller radius than potassium and phosphate ions. Thus the elongational forces imposed on the jet with sodium chloride should be higher than that with potassium phosphate. Therefore, the electrospun fibers from the PDLA solution with 1 wt% NaCl possessed the smallest average fiber diameter, while the fibers spun from the solution with 1 wt% KH2PO4 had the largest fiber diameter. 42

43 Vliv na tvorbu perliček nemá jen viskozita ale i vodivost roztoku = použití povrchově aktivních látek (anionaktivních, kationaktivních i neionogenních). Přídavek povrchově aktivní látky vede i k zmenšení průměru vláken je však nutné najít optimální mez!!!

44 VLASTNOSTI ROZTOKŮ POVRCHOVÉ NAPĚTÍ The formation of beads and beaded fibers is driven by the surface tension [13]. Surface tension tries to make the surface area per unit mass smaller, by changing the jets into spheres; the forces from the excess charge try to increase the surface area, which opposes the formation of beads and favors thinner jets; viscoelastic force resists rapid changes in shape. In Fig. 1, the major competition is between the surface tension and viscoelastic force. Increasing the viscosity favors the formation of smooth fibers. In Fig. 2, the major competition is between the electrical force and viscoelastic force. The increase of net charge density and the associated electrical forces favors the formation of smooth fibers. By changing the solvent from pure water to a water/ethanol mixture while holding the PEO concentration constant, smooth fibers with larger diameters were produced. (Fig. 3.). Snižující se povrchové napětí (voda/etanol) vede k zvětšujícímu se průměru vláken PEO Variation of beaded fibers as the mass ratio of water/ethanol is changed. Electric field is 0.5 kv/cm, weight fraction of PEO is 3.0%. The horizontal edge of each of the figures is 20 microns long. 44

45 VLASTNOSTI ROZTOKŮ POVRCHOVÉ NAPĚTÍ Polymerní roztok PVA nm nm nm nm PVA Rozpouštědlo voda PVA + 1hm % SWNTs COOH Rozpouštědlo voda PVA + 1hm% MWNTs OH Rozpouštědlo voda Kostakova, E., Meszaros, L., Gregr,J.: Composite nanofibers produced by modified electrospinning method; Material Letters, Vol.63, pg (2009) PVA + 1hm%MWNTs OH Rozpouštědlo voda/etanol (50/50)

46 VLASTNOSTI ROZTOKŮ POVRCHOVÉ NAPĚTÍ etanol dichloromethane dimethylformamid TEM images of the PVP nanofibers electrospun from ethanol (a), MC (b), and DMF (c),respectively. The concentration of PVP is fixed at 4 wt. %. Reproduced from Ref. [5] by permission of John Wiley & Sons Ltd Při stejné koncentraci PVP ale různých rozpouštědlech == snižující se povrchové napětí vede k odstraňování defektů a vytváření rovnoměrné vlákenné struktury. Basically, surface tension determines the upper and lower boundaries of the electrospinning window if all other conditions are fixed Z. Li and C. Wang, One-Dimensional nanostructures, SpringerBriefs in Materials, DOI: / _2, Yang Q, Li Z, Hong Y, Zhao Y, Qiu S, Wang C, Wei Y (2004) Influence of solvents on the formation of ultrathin uniform poly(vinyl pyrrolidone) nanofibers with electrospinning. J Polym Sci, Part B: Polym Phys 42(20): doi: /polb

47 VLASTNOSTI ROZTOKŮ POVRCHOVÉ NAPĚTÍ Povrchové napětí má vliv na řadu dalších oblastní elektrostatického zvlákňování: zvlákňování do kapaliny, Koaxiální zvlákňování atd Budeme se tomu věnovat v dalších přednáškách 47

48 VLASTNOSTI ROZTOKŮ POVRCHOVÉ NAPĚTÍ Pro vysvětlení principu je vhodné použít tzv. jehlové elektrostatické zvlákňování Kapilární síla F 2 rs cos c Elektrická síla 2 F e 1/ 2 E ds F c g r F F e c Silová rovnováha! F e Prof. David Lukáš Sir G. Taylor (1964) Disintegration of water drops in an electric field, Proc. Roy. Soc. A, vol. 280, 1964, pp

49 VLASTNOSTI ROZTOKŮ Rekapitulace Viskozita: Elektrická vodivost: Povrchové napětí: 49

50 Tvorba perliček (beads) PERLIČKOVÝ EFEKT Rekapitulace vlivu viskozity (koncentrace) roztoku na proces elektrostatického zvlákňování Huang, et al., A review on polymer nanofibers by electrospinning and their applications in nanocomposites, Composites Science and Technology, 63 (2003),

51 Tvorba perliček (beads) PERLIČKOVÝ EFEKT Perličky jsou tvořeny z polymerních roztoků o nízkých koncentrací. = Zvýšení viskozity může vést k odstranění tohoto problému ovšem ne vždy!

52 Tvorba perliček (beads) PERLIČKOVÝ EFEKT Zvýšení elektrického napětí vede k odstranění perliček!

53 Tvorba perliček (beads) PERLIČKOVÝ EFEKT Zvýšení koncentrace roztoku vede k odstranění perliček.

54 Tvorba perliček (beads) PERLIČKOVÝ EFEKT Snížení rychlosti dodávání roztoku vede ke zmenšení perliček Pouze u jehlového zvlákňování

55 Parametry ovlivňující proces elektrostatického zvlákňování ZVLÁKŇOVACÍ ELEKTRODY Eva Košťáková KNT, FT, TUL

56 Podmínky ovlivňující proces elektrostatického zvlákňování nanovláken Procesní podmínky -Uspořádání spinneru (např.menší průměr jehly = jemnější vlákna, Nanospider = více trysek = větší výkon) -Použité napětí -Vzdálenost od kolektoru -Okolní teplota -Vlhkost -Elektrické vlastnosti podpůrného nosného materiálu (např. antistatická úprava = rovnoměrnější vrstva) - Budeme se jim věnovat v následujících přednáškách

57 NEEDLE-LESS ELECTROSPINNING BEZJEHLOVÉ ELEKTROSTATICKÉ ZVLÁKŇOVÁNÍ MODIFIKACE PROCESU ZMĚNA ZVLÁKŇOVACÍ ELEKTRODY Niu, H., Lin, T.: Review Article: Fiber Generators in Needleless Electrospinning, Journal of Nanomaterials, Volume 2012, ID Lin, T., Wang, X.: Needleless Electrospinning of Nanofibers; Technology and Applications, CRC Press 2013

58 NEEDLE ELECTROSPINNING JEHLOVÉ ELEKTROSTATICKÉ ZVLÁKŇOVÁNÍ Niu, H., Lin, T.: Review Article: Fiber Generators in Needleless Electrospinning, Journal of Nanomaterials, Volume 2012, ID

59 NEEDLELESS ELECTROSPINNING BEZJEHLOVÉ ELEKTROSTATICKÉ ZVLÁKŇOVÁNÍ MODIFIKACE PROCESU ZMĚNA ZVLÁKŇOVACÍ ELEKTRODY První popsané bezjehlové novodobé elektrostatické zvlákňování Magnetická kapalina (a) přelita polymerním roztokem (b), kolektor (c), elektroda vnořená do magnetické kapaliny (d), zdroj vysokého napětí (e), silný permanentní magnet nebo elektromagnet (f).

60 NEEDLE-LESS ELECTROSPINNING BEZJEHLOVÉ ELEKTROSTATICKÉ ZVLÁKŇOVÁNÍ Rotační ZVLÁKŇOVACÍ ELEKTRODY

61 NEEDLE-LESS ELECTROSPINNING BEZJEHLOVÉ ELEKTROSTATICKÉ ZVLÁKŇOVÁNÍ Rotační ZVLÁKŇOVACÍ ELEKTRODY Váleček rotující ve vaničce s polymerním roztokem (Nanospider TM)

62 NEEDLE-LESS ELECTROSPINNING BEZJEHLOVÉ ELEKTROSTATICKÉ ZVLÁKŇOVÁNÍ Rotační ZVLÁKŇOVACÍ ELEKTRODY INTENZITA SE ZVYŠUJE NA KRAJÍCH VÁLEČKU!!! COŽ MŮŽE V NĚKTERÝCH PŘÍPADECH VÉST K NEROVNOMĚRNÉMU ZVLÁKŇOVÁNÍ. Váleček rotující ve vaničce s polymerním roztokem (Nanospider TM)

63 NEEDLE-LESS ELECTROSPINNING BEZJEHLOVÉ ELEKTROSTATICKÉ ZVLÁKŇOVÁNÍ Rotační ZVLÁKŇOVACÍ ELEKTRODY Spirála nebo kroužky ve vaničce s polymerním roztokem

64 NEEDLE-LESS ELECTROSPINNING BEZJEHLOVÉ ELEKTROSTATICKÉ ZVLÁKŇOVÁNÍ Rotační ZVLÁKŇOVACÍ ELEKTRODY Spirála nebo kroužky ve vaničce s polymerním roztokem

65 NEEDLE-LESS ELECTROSPINNING BEZJEHLOVÉ ELEKTROSTATICKÉ ZVLÁKŇOVÁNÍ Rotační ZVLÁKŇOVACÍ ELEKTRODY Spirála nebo kroužky ve vaničce s polymerním roztokem

66 NEEDLE-LESS ELECTROSPINNING BEZJEHLOVÉ ELEKTROSTATICKÉ ZVLÁKŇOVÁNÍ Rotační ZVLÁKŇOVACÍ ELEKTRODY Spirála nebo kroužky ve vaničce s polymerním roztokem

67 NEEDLE-LESS ELECTROSPINNING BEZJEHLOVÉ ELEKTROSTATICKÉ ZVLÁKŇOVÁNÍ Rotační ZVLÁKŇOVACÍ ELEKTRODY Rotující disk ve vaničce s polymerním roztokem

68 NEEDLE-LESS ELECTROSPINNING BEZJEHLOVÉ ELEKTROSTATICKÉ ZVLÁKŇOVÁNÍ Rotační ZVLÁKŇOVACÍ ELEKTRODY Rotující koule ve vaničce s polymerním roztokem

69 NEEDLE-LESS ELECTROSPINNING BEZJEHLOVÉ ELEKTROSTATICKÉ ZVLÁKŇOVÁNÍ Rotační ZVLÁKŇOVACÍ ELEKTRODY Dávkování roztoku (3), rotující váleček (4), zdroj vysokého napětí (7), kolektor (6), zásobník polymerního roztoku, pumpa (1,2) Dávkování polymerního roztoku na rotující váleček

70 NEEDLE-LESS ELECTROSPINNING BEZJEHLOVÉ ELEKTROSTATICKÉ ZVLÁKŇOVÁNÍ Rotační ZVLÁKŇOVACÍ ELEKTRODY Polymerní roztok je dávkován ze strany na kovový kužel připojený na zdroj vysokého napětí. Rotující kužel

71 NEEDLE-LESS ELECTROSPINNING BEZJEHLOVÉ ELEKTROSTATICKÉ ZVLÁKŇOVÁNÍ Rotační ZVLÁKŇOVACÍ ELEKTRODY Pohybující se řetízek s korálky ve vaničce s polymerním roztokem

72 NEEDLE-LESS ELECTROSPINNING BEZJEHLOVÉ ELEKTROSTATICKÉ ZVLÁKŇOVÁNÍ Rotační ZVLÁKŇOVACÍ ELEKTRODY STRUNOVÝ VÁLEČEK a OHROCENÝ VÁLEČEK

73 NEEDLE-LESS ELECTROSPINNING BEZJEHLOVÉ ELEKTROSTATICKÉ ZVLÁKŇOVÁNÍ Rotační ZVLÁKŇOVACÍ ELEKTRODY STRUNOVÝ VÁLEČEK a OHROCENÝ VÁLEČEK

74 Histogram průměrů vláken Ohrocený váleček Hladký váleček Strunový váleček

75 HLADKÝ A DRÁTĚNÝ VÁLEČEK - NANOSPIDER

76 NEEDLE-LESS ELECTROSPINNING BEZJEHLOVÉ ELEKTROSTATICKÉ ZVLÁKŇOVÁNÍ Stacionární ZVLÁKŇOVACÍ ELEKTRODY

77 NEEDLE-LESS ELECTROSPINNING BEZJEHLOVÉ ELEKTROSTATICKÉ ZVLÁKŇOVÁNÍ Stacionární ZVLÁKŇOVACÍ ELEKTRODY Nezapomenout na štěrbinu!!!

78

79 Ing. Eva Košťáková, Ph.D. Technická univerzita v Liberci Fakulta textilní Katedra netkaných textilií a nanovlákenných materiálů Studentská Liberec Tel.: Budova B, 3.patro eva.kostakova@tul.cz

80 POVRCHOVÉ NAPĚTÍ - MĚŘENÍ Povrchové napětí - vysvětlení Maxwellův pokus:pevný kovový rámeček, pohyblivé raménko na které působí síla F. Délka pohyblivého raménka je L. Do rámečku se umístí tenká vrstva kapaliny, kterou je nutno udržovat v rovnováze působením síly F na pohyblivé raménko délky L. Síla působící na jednotkovou délku raménka dělená dvěma je rovna povrchovému napětí g - F 2L 80

81 POVRCHOVÉ NAPĚTÍ MĚŘENÍ Wilhelmyho metoda destička (Kruss UKÁZKA) Povrchové napětí je počítáno z této rovnice (s = povrchové napětí; F = síla působící na rovnováhu ; L= smočená délka (obvod destičky); = kontaktní úhel) Platinová destička musí být zdrsněna pískováním, protože hladká nevykazuje 0 kontaktní úhel. 81

82 POVRCHOVÉ NAPĚTÍ MĚŘENÍ Wilhelmyho metoda destička (Kruss) metoda vyvažování Wilhelmyho destičky Wilhelmy plate method Statická metoda, založená na měření síly potřebné k vyvážení rovné svislé destičky vnořené do kapaliny. Síla je měřena váhami vysoké citlivosti. Pro destičku ponořenou do úrovně klidového rozhraní mezi silou F a úhlem smáčení θ platí kde L je obvod destičky. Při ponoření destičky do větší hloubky je třeba počítat i s objemem kapaliny V, vytlačeným ponořenou částí destičky, a pak platí kde Δρ je rozdíl hustot obou tekutin a g je tíhové zrychlení. 82

83 POVRCHOVÉ NAPĚTÍ MĚŘENÍ Metoda Noüyho - kroužek (Kruss UKÁZKA) ( s=surface or interfacial tension; F max =maximum force;fv =weight of volume of liquid lifted; L =wetted length, =contact angle) The contact angle decreases as the extension increases and has the value 0 at the point of maximum force, this means that the term cos has the value 1. 83

84 POVRCHOVÉ NAPĚTÍ MĚŘENÍ Nejvyšší tlak v bublince (Kruss UKÁZKA) Maximální tlak P max, hydrostatický tlak P 0, vnitřní poloměr kapiláry r a povrchové napětí s. Při formování bublikny je počáteční tlak pod maximálním tlakem. Maximálního tlaku je dosaženo když poloměr křivosti je nejmenší (poloměr bublinky = poloměru kapiláry). 84

85 POVRCHOVÉ NAPĚTÍ MĚŘENÍ Stalagmometrická metoda Pro stanovení povrchového napětí je určována střední hmotnost kapky, která se odtrhává působením tíže od rovinného povrchu zabroušeného ústí silnostěnné kapiláry o vnějším poloměru R. V hrubém přiblížení se uvažuje, že tíže kapky (m g) je kompenzována silami povrchového napětí. mg = 2πRσ 85

86 POVRCHOVÉ NAPĚTÍ MĚŘENÍ KONTAKTNÍ ÚHEL (UKÁZKA) Youngova rovnice popisuje rovnováhu kapky kapaliny na podložce z pevné látky za předpokladu, že povrch pevné látky je zcela rovný, tvar pevné látky se během smáčení nemění a kapalina neproniká do povrchu pevné látky. g P g cos g KP, 86

87 POVRCHOVÉ NAPĚTÍ MĚŘENÍ KONTAKTNÍ ÚHEL MĚŘENÍ KONTAKTNÍHO ÚHLU METODOU NAKLÁNĚNÍ DESKY 87