facebook
twitter
vk
instagram
linkedin
google+
tumblr
akademia
youtube
skype
mendeley
Page translation
 

Оценка поверхностных свойств материалов перемещением жидкости поверхностно-активными веществами

diplom
Titov Oleg, associate professor, candidate of technical sciences, associate professor

Irina Titova, associate professor, candidate of technical sciences, associate professor

Andrey Titov, associate professor, candidate of technical sciences, associate professor

East Siberia State University of Technology and Management, Russia

Championship participant: the National Research Analytics Championship - "Russia";

Оценка поверхностных свойств материалов перемещением жидкости поверхностно-активными веществами основана на определении  объема перемещенной жидкости находящейся в слое известной толщины.

Приведены результаты исследований при применении капельного и бесконтактного методов исследования. Особенности метода бесконтактного определения свойств поверхностей: появление темных пятен в начале перемещения жидкости и образование кольцевых структур. Приведена важная особенность взаимодействия ПАВ с поверхностью воды над слоем песка – образование движущихся объектов.

Ключевые   слова: поверхностное натяжение, краевой угол смачивания, перемещение жидкости, ПАВ, кольцевые структуры, черные пленки, граничные слои жидкости, структурированные слои воды, НЛО.

Evaluation of surface properties of materials moving liquid surface-active substances based on the determination of the displaced fluid located in a layer of known thickness.

 The results of studies in the application of drip and non-contact methods. Features of non-contact method of surface properties: the appearance of dark spots at the beginning of movement of the liquid and the formation of ring structures. Shows an important feature of the interaction of surfactants with the surface water above a layer of sand - the formation of moving objects.

Keywords: surface tension, contact angle, the movement of fluids, surfactants, ring structures, the blacksoap film, the boundary layers of liquid, structured layers of water, a UFO.
 

Поверхностные явления количественно более двухсот лет оцениваются двумя показателями: краевым углом смачивания и поверхностным натяжением. Других, каких либо единиц для оценки не существует. Методов же определения этих показателей много но не всегда можно определить их для реальных систем, вступающих во взаимодействие. [1]

Нами разработаны способы определения поверхностных свойств, позволяющие одновременно оценивать комплекс взаимодействующих систем. При этом оценка приближена к межмолекулярным взаимодействиям. [2, 3, 4] Основу способов составляет создание над изучаемой поверхностью слоя жидкости известной толщины, воздействие на поверхность которого поверхностно-активным веществом, и фиксирование капли ПАВ в момент отрыва и происходящих изменений поверхности с помощью видеокамеры. Далее на покадровых развертках определяется кадр, где зафиксирован наибольший радиус перемещенного слоя жидкости и размер капли в момент отрыва. На этих кадрах производятся соответствующие измерения радиуса перемещенного слоя жидкости и диаметр

Рис. 1. Зависимость количества перемещаемой жидкости от концентрации поверхностно активного вещества и радиуса ограничительной линии. Радиус ограничивающей окружности (кривые сверху вниз: 1, 2, 3, 4, 5) 0,08, 0,07, 0,06, 0,05, 0,04 м.

капли. Эти измерения используются для расчета объема капли и объема перемещенной жидкости. Объем перемещенной жидкости находится как объем диска с радиусом равным радиусу перемещенной жидкости и толщиной равной толщине слоя жидкости. Объем капли раствора ПАВ в момент отрыва при известной концентрации ПАВ дает количество ПАВ в единицах массы, которое переместило жидкость с известной плотностью и измеренным нами объемом то есть известной массы. Зная эти показатели можно рассчитать удельное количество жидкости, перемещенное единицей массы ПАВ. В наших исследованиях это количество жидкости, которое может переместить один килограмм ПАВ (подробно смотри [5]).На рисунке 1 приведен типичный ход кривых в координатах концентрация ПАВ и количество жидкости, перемещенное ПАВ. Так, как масса перемещенной жидкости известна и известно, расстояние, на которое перемещается эта масса то можно считать, что практически прямым измерением определяем работу, которую совершает ПАВ при

перемещении жидкости. Одновременно можно измерить и время, затраченное на перемещение этой массы. Значит можно определить и мощность. Следовательно, не определяя поверхностное натяжение и краевой угол смачивания можно характеризовать

поверхностные явления. Причем, зафиксировав два из участвующих в процессе материала на одном уровне, можно определять свойства третьего. Например, если для исследований брать

Таблица 1.

Скорость перемещения воды по поверхности разных материалов

Материал

Скорость перемещения, мм/сек

Литий (LiNbO3)

6,39

Кремний

5,27

Бумага

3,53

Дюралюминий

12,26

Цемент

1,99

Песок

24,8

 

одну и ту же поверхность, а в качестве жидкости одну и ту же жидкость (воду), то можно характеризовать поверхностно-активные вещества. А если брать одно и то же поверхностно активное вещество и жидкость, то можно характеризовать разные поверхности.

Используя этот принцип, мы разработали технологию определения свойств поверхности материалов, в том числе и сыпучих, порошкообразных методом бесконтактного перемещения жидкости. В таблице 1 приведены результаты определения скорости перемещения воды по поверхности разных материалов.

Из представленных результатов видно, что измеренные показатели для разных материалов имеют существенно различающиеся значения. Наименьшая скорость перемещения наблюдается по цементу и бумаге. Несколько большая скорость для монокристаллов лития и кремния. По дюралюминию скорость перемещения в два раза больше чем по поверхности монокристаллов лития и кремния. Наибольшая скорость перемещения наблюдается для песка. Это связано с тем, что бесконтактно вода с поверхности песка полностью не снимается. Остается на поверхности частиц пленка воды, которая снимается только после приведения ПАВ в контакт с поверхностью воды. Возможно поэтому скорость перемещения воды по поверхности песка в несколько больше чем по другим поверхностям.

Необходимо отметить несколько особенностей процесса перемещения воды по использованным поверхностям. В первую очередь это образование кольцевых структур перед прорывом слоя воды. Эти структуры мы относим к послойному разрушению структуры воды создаваемой за счет силового воздействия материала поверхности на которой вода находится.

Процесс бесконтактного перемещения жидкости поверхностно-активным веществом складывается из нескольких этапов. В начале перемещения, поверхностно-активное вещество как бы снимает с поверхности воды слои молекул фиксированные в этом слое за счет взаимодействия с молекулами воздуха и между собой. Это хорошо было видно при исследовании свойств поверхности материалов используемых в электронике для создания интегральных схем.  В ходе эксперимента было замечено, что на поверхности разрушаемого слоя воды появляются кольцевые структуры, исчезающие со временем. (См. рис 2)

Рис. 2 Образование кольцевых структур (показаны стрелками) в слое воды толщиной 0,4 мм на поверхности бумаги

По нашему мнению это послойное разрушение воды, связанной с изучаемой поверхностью, следовательно, слои воды в связанном слое жидкости имеют разную степень связи между собой. Кроме того, это структурированный слой воды с одной стороны воздухом, с другой стороны поверхностью на которой жидкость находится. Структурированное состояние сохраняется при взаимодействии поверхности воды с поверхностно-активным веществом, которое встраивается в структуру слоя и при превышении предела устойчивости новой, созданной внедренными молекулами ПАВ структуры, начинается ее разрушение и перемещение слоя жидкости. Это, измененное состояние структуры с внедренными молекулами ПАВ сохраняется достаточно долго, по нашим измерениям более 20 секунд.

Важным на наш взгляд является отсутствие прорыва слоя жидкости на поверхности песка. Это можно объяснить тем, что плотность упаковки воды на поверхности песка очень высокая. Молекулы ПАВ не могут взломать структуру поверхности этого слоя, поэтому полного очищения поверхности песка не наблюдается. Построение структуры воды в слое над песком начинается от воздуха, на границе с которым вода имеет отрицательный потенциал [6]. Следовательно, молекула воды атомом кислорода развернута в сторону воздуха, а атомами водорода, несущими положительный заряд внутрь объема воды. На поверхности частиц песка молекулы воды также ориентируются атомом кислорода от поверхности песка, то есть в туже сторону, что и от поверхности воды. Так как поверхность кварца (оксида кремния или песка) в водной среде заряжена отрицательно [7].  Молекула же спирта используемого при перемещении жидкости бесконтактным способом имеет положительный заряд водорода на гидроксильной группе, следовательно, встречаясь с положительно заряженным слоем воды, на поверхности частиц песка притягивается к этой поверхности и адсорбируется на ней, но перемещения этого слоя не происходит. Возможно, что слой воды на поверхности песка имеет повышенную плотность [8], поэтому молекулы ПАВ не могут проникнуть в эти слои и очистить поверхность песка от воды. Подобное наблюдалось нами при изучении перемещения жидкости ПАВ-ми на поверхности желатина [9]. Перемещение по поверхности желатина происходило в два этапа. Вначале переместился

Рис. 3. Образование темных пятен.

слой слабо связанных молекул воды, а через некоторое время начал перемещаться слой воды, прилегающий к желатину.

Возможно, что определенный интерес представляет образование темных пятен перед прорывом слоя жидкости на дюралюминии (см. рис. 3). Мы предполагаем, что это вызвано уменьшением толщины слоя воды до 3 – 5 нм то есть меньше длины световой волны [10]. Причем перемещающийся слой воды может «раскатать» по изучаемой поверхности воду до толщины темной пленки. На рисунке 4 показано образование такой пленки воды, (помечено стрелкой) которая затем собирается в каплю.


Рис. 4. Последовательные кадры, показывающие образование тонкой темной пленки воды при перемещении ПАВ-ом, которая затем собирается в каплю (помечены стрелкой).

Возможно, что образование темной пленки произошло из-за углубления в поверхности

дюралюминия, тогда этот эффект можно использовать для оценки механических дефектов поверхностей практически наноразмерной толщины. Из рисунка также видно, что оптически переход к углублению или к дефекту ни чем себя не проявляет, отражение капилляра не изменяется. Либо для выявления этого дефекта оптическими методами необходимы большие увеличения и специальная приборная база.

Представляет интерес в плане теории поверхностных явлений обнаруженный нами эффект образования движущихся объектов при взаимодействии ПАВ с поверхностью воды над слоем песка. Нами обнаружено несколько типов движущихся объектов. На рисунке 5 приведен один из них по виду напоминающий НЛО.

Рис. 5. Крупный (размер более 5 мм) напоминающий НЛО объект. Появление к 698. Продолжение к 708 – к 718. Стрелками помечено положение объекта. Скорость перемещения около 10 – 15 мм/сек. Объекты под поверхностью перемещаются, примерно, с такой же скоростью.

Изгибы линий индикаторной сетки на рис. 5 говорят о том, что объект движется по поверхности воды. Но встречаются объекты, перемещающиеся и в толще воды, под поверхностью. Объяснить наблюдаемый эффект пока не представляется возможным. Необходима постановка специальных опытов с участием различных материалов, в том числе наноразмерного объема.

 

Литература:

0
Your rating: None Average: 8 (6 votes)
Comments: 7

Elena Ukolova

Уважаемые авторы, работа имеет значительный научный и практический интерес, особое внимание заслуживают способы определения поверхностных свойств, позволяющие одновременно оценивать комплекс взаимодействующих систем, в том числе и технология определения свойств поверхности материалов. Возникает единственный вопрос: действительно ли Ваша работа соответствует тематике секции Науки о Земле?

Azmaiparashvili maia

Согласна с вами, что молекулы не располагают фиксированным положением и могут свободно передвигаться в данной жидкости. Скорость зависит от скорости хаотичного движения молекул и расстояния передвижения. По движению Броуна, если масса тела большая, тогда суммарная сила уравновешена - всесторонняя в среднем равна и равнодействена нулю. Если размер тела мал, тогда число столкновений меньше и возможно происхождение равнодейственных сил, которое действет на тело по переменному направлению. У вас интересные данные. Скорость движения наиболее высока на поверхности песка, а низкая – на бумаге. Вы выбрали для эксперимента абсолютно разный материал. Ваша работа представляет практический интерес. С уважением, expert49

Az.1148. Baku, Z. Xalilov st.23 Baku State Universitet

Уважаемые авторы, Я думаю, что ваши исследования очень интересно. Мне очень понравилась Ваша работа и пожелаю Вам дальнейших успехов. С уважением, Абдуллаева Айтен.

Arestova Inessa

Уважаемые авторы! Весьма интересная работа и возможность практического применения не вызывает сомнений. Желаю Вам дальнейших успехов и все-таки разгадать «загадочное» появление движущихся объектов при взаимодействии ПАВ с поверхностью воды над слоем песка. С уважением, Арестова Инесса.

Chernyak Vladimir ivanovich

Поскольку среди участников данной конференции, в которой авторы представили свои материалы, вряд ли найдется много специалистов, способных оценить физико-химическую значимость выполненных экспериментов, целесообразно было бы хотя бы очертить круг решаемых на этой основе практических задач. Насколько позволяют сделать оценку мои скромные познания (имел опыт исследований ПАВ в далеком прошлом), то значение работы очень высокое. Правда не могу корректно оценить - оказывают ли влияние на исследуемые явления диффузионные и абсорбционные процессы между ПАВ и самим материалом. С уважением, Черняк Владимир

Titov Oleg Pavlovich

Значимость заключается в том, что не определяя поверхностное натяжение и краевой угол смачивания (их определение иногда не возможно, например, для твердых тел или дисперсных материалов) можно оценить поверхностные свойства, но другими показателями. И набор этих показателей значительно больше двух. А кроме того, выявляются все новые возможности применения этого способа. Например обнаружение движущихся самоорганизующихся объектов (см. рис 5)

Chernyak Vladimir ivanovich

Господа. Я понимаю, что это "Ваш мир" и Вы себя чувствуете в нем "как рыба в воде". Но посмотрите хотя бы названия секций и других работ, представленных в этой конференции и Вы поймете, что "поверхностное натяжение", "краевой угол смачивания" и т.п. для значительного большинства не представляет профессионального интереса. А вот если бы Вы указали, какие реальные практические задачи можно решать с помощью представленных методов и полученных результатов наблюдений - от этого работа значительно "выиграла бы". С уважением, Черняк Владимир.
Comments: 7

Elena Ukolova

Уважаемые авторы, работа имеет значительный научный и практический интерес, особое внимание заслуживают способы определения поверхностных свойств, позволяющие одновременно оценивать комплекс взаимодействующих систем, в том числе и технология определения свойств поверхности материалов. Возникает единственный вопрос: действительно ли Ваша работа соответствует тематике секции Науки о Земле?

Azmaiparashvili maia

Согласна с вами, что молекулы не располагают фиксированным положением и могут свободно передвигаться в данной жидкости. Скорость зависит от скорости хаотичного движения молекул и расстояния передвижения. По движению Броуна, если масса тела большая, тогда суммарная сила уравновешена - всесторонняя в среднем равна и равнодействена нулю. Если размер тела мал, тогда число столкновений меньше и возможно происхождение равнодейственных сил, которое действет на тело по переменному направлению. У вас интересные данные. Скорость движения наиболее высока на поверхности песка, а низкая – на бумаге. Вы выбрали для эксперимента абсолютно разный материал. Ваша работа представляет практический интерес. С уважением, expert49

Az.1148. Baku, Z. Xalilov st.23 Baku State Universitet

Уважаемые авторы, Я думаю, что ваши исследования очень интересно. Мне очень понравилась Ваша работа и пожелаю Вам дальнейших успехов. С уважением, Абдуллаева Айтен.

Arestova Inessa

Уважаемые авторы! Весьма интересная работа и возможность практического применения не вызывает сомнений. Желаю Вам дальнейших успехов и все-таки разгадать «загадочное» появление движущихся объектов при взаимодействии ПАВ с поверхностью воды над слоем песка. С уважением, Арестова Инесса.

Chernyak Vladimir ivanovich

Поскольку среди участников данной конференции, в которой авторы представили свои материалы, вряд ли найдется много специалистов, способных оценить физико-химическую значимость выполненных экспериментов, целесообразно было бы хотя бы очертить круг решаемых на этой основе практических задач. Насколько позволяют сделать оценку мои скромные познания (имел опыт исследований ПАВ в далеком прошлом), то значение работы очень высокое. Правда не могу корректно оценить - оказывают ли влияние на исследуемые явления диффузионные и абсорбционные процессы между ПАВ и самим материалом. С уважением, Черняк Владимир

Titov Oleg Pavlovich

Значимость заключается в том, что не определяя поверхностное натяжение и краевой угол смачивания (их определение иногда не возможно, например, для твердых тел или дисперсных материалов) можно оценить поверхностные свойства, но другими показателями. И набор этих показателей значительно больше двух. А кроме того, выявляются все новые возможности применения этого способа. Например обнаружение движущихся самоорганизующихся объектов (см. рис 5)

Chernyak Vladimir ivanovich

Господа. Я понимаю, что это "Ваш мир" и Вы себя чувствуете в нем "как рыба в воде". Но посмотрите хотя бы названия секций и других работ, представленных в этой конференции и Вы поймете, что "поверхностное натяжение", "краевой угол смачивания" и т.п. для значительного большинства не представляет профессионального интереса. А вот если бы Вы указали, какие реальные практические задачи можно решать с помощью представленных методов и полученных результатов наблюдений - от этого работа значительно "выиграла бы". С уважением, Черняк Владимир.
PARTNERS
 
 
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
Would you like to know all the news about GISAP project and be up to date of all news from GISAP? Register for free news right now and you will be receiving them on your e-mail right away as soon as they are published on GISAP portal.