Тонка рідка плівка - огляд тем ScienceDirect

Тонка рідка плівка - це фаза малої товщини, в якій два міжфазні шари перекриваються, утворюючи єдину неоднорідну структуру специфічних властивостей.

Пов’язані терміни:

Крапелька
Емульсія
Межа зерна
Рідкі плівки
Нановолокна
Поверхнево-активний агент
Тонкі фільми

Завантажити у форматі PDF

Про цю сторінку

М'які колоїди

6.1 Вступ

Тонкі рідкі плівки автоматично утворюються у всіх колоїдних системах в рідких дисперсійних середовищах, де вони виникають, коли дві частинки дисперсної фази (тверді частинки, краплі рідини або бульбашки газу) наближаються одна до одної. Плівка рідини симетрична, коли дві частинки однакові, тобто у випадку гомо-взаємодії. Зразками таких тонких рідких плівок є пінопластові плівки, емульсійні плівки та плівки між однаковими частинками в золі. У більш складних випадках, коли дві частинки з речовинами різного складу наближаються одна до одної, утворюється асиметрична рідка плівка. Це всі випадки гетеро-взаємодії. Найважливішими асиметричними плівками є змочувальні плівки: тонкі рідкі плівки, що відокремлюють тверду речовину від газової фази.

Пінопластові плівки - це симетричні рідкі плівки між двома газовими фазами, тобто плівки GLG; емульсійні плівки - це плівки L'LL ', L' є рідиною, що не змішується з рідиною L. Можна виділити два типи емульсійних плівок: плівки OWO та плівки WOW, які відповідають двом типам емульсій. Пінопластові та емульсійні плівки - це рідкі плівки з рідкою поверхнею. Лише такі типи фільмів розглядаються в цій главі. Симетричні плівки SLS вже були розглянуті в главах 1.4 та IV.3, а асиметричні плівки SLG (змочувальні плівки) - через сек. III.5.3. У цьому розділі ми будемо використовувати терміни пінопласт та емульсійна плівка.

Очевидно, що властивості та поведінка тонких рідких плівок визначають стабільність або нестабільність відповідної дисперсної системи. Ось чому тонкі рідкі плівки є одними з найважливіших об'єктів колоїдної та інтерфейсної науки. Крім того, рідкі плівки відіграють центральну роль у багатьох технологічних процесах, таких як флотація мінералів, покриттів, відновлення олії, мийні засоби та промивання. Це сприяло значному розширенню фундаментальних та прикладних досліджень у галузі тонких рідких плівок, особливо у другій половині 20 століття.

Протягом 20 століття дослідження тонких рідких плівок розширювалися прискореними темпами. У перші десятиліття Перрен широко вивчав різні типи чорних пінопластових плівок, а також цікаве явище розшарування (багатошарове формування у плівках, приготованих із концентрованих розчинів). У 1936 р. Дерягін ввів поняття роз'єднання тиску, найважливіший термодинамічний параметр, що характеризує тонку плівку рідини (див. Розділ 1.4.2). Великий успіх теорії DLVO щодо стабільності ліофобних колоїдів підкреслив вирішальну роль тонких рідких плівок для розуміння стійкості всіх типів дисперсних систем у рідких середовищах. Значний внесок у кількісний опис тонких рідких плівок внесли наукові школи Дерягіна (Росія), Овербіка (Нідерланди), Мізеля (США), Шелудка (Болгарія) та багатьох інших 1)

Що саме ми повинні назвати тонкою рідкою плівкою? Розглянемо симетричну плівку рідини з паралельними площинами розділами (рис. 6.1). Декартова система координат орієнтована таким чином, що осі x та y лежать у площині плівки, тоді як вісь z є нормальною до меж розділу плівки. Очевидно, розмір плівки вздовж z набагато менший, ніж розміри вздовж x та y, які визначають площу плівки. Однак виникає запитання: що ми маємо на увазі під «набагато меншим»?

Рисунок 6.1. . Схема, (a), товстої та (b), тонкої рідкої плівки, утвореної з рідкої фази, α, між двома рівними фазами, β.

Рідка фаза, з якої утворюється плівка, позначена на рис. 6.1 на α, а сусідні фази (газ, інша рідина чи тверда речовина) на β. Як вже показано в бачить. 1.2.5 та 1.2.22.a інтерфейс α/β - це не математична площина, а міжфазний шар кінцевої товщини. Більшість фізичних величин всередині цього міжфазного шару змінюються вздовж осі z внаслідок взаємного впливу фаз α і β. Коли відстань між двома інтерфейсами досить велика (рис. 6.1а), два міжфазні шари знаходяться далеко один від одного. Між ними є рідина з тими ж властивостями, що і в об'ємній рідкій фазі, α. Така система GLG може розглядатися як система з трьох об'ємних фаз, розділених двома розділами рідина-рідина. Коли товщина становить кілька мікрометрів або більше, плівку можна обробляти об'ємною термодинамікою.

Однак у випадку, коли товщина плівки настільки мала, що обидва міжфазні шари перекриваються (рис. 6.1b), усередині плівки немає рідини з об'ємними властивостями. Подібно до того, як в одному міжфазному шарі, більшість фізичних величин змінюються вздовж z-осі по всій плівці рідини, від основної маси однієї фази, β, до іншої фази β. Як ми побачимо пізніше, це є фізичним грунтом для зростання роз'єднуючого тиску в плівці, а також для зміни поверхневого натягу плівки як функції товщини. Інтенсивні властивості плівки залежать від її товщини. Така плівка називається тонкою рідкою плівкою.

Слід зазначити, що це термодинамічне визначення тонкої рідкої плівки, і воно відображає особливі властивості плівки та їх залежність від товщини. Однак, коли розглядаються кінетичні властивості (наприклад, дренаж плівки, реологія, динамічна еластичність), рідку плівку часто називають "тонкою" просто через дуже малу товщину, незалежно від питання, чи є вона "тонкою" в термодинамічній сенс. Наприклад, Гіббс розглянув еластичність пінопластової плівки, припустивши, що поверхневий натяг поверхонь плівки такий самий, як і у насипної рідини.

Термодинамічне визначення тонких рідких плівок показує, що найважливішим фактором, що визначає її властивості, є взаємодія між двома поверхнями плівки, тобто парні взаємодії між двома сусідніми фазами на плівці рідини (див. Глави 1.4 та IV.3 ). Отже, поодинокі рідкі плівки всіх типів є дуже корисними моделями для дослідження парних взаємодій (тиск роз’єднання, енергія взаємодії, стабільність чи нестабільність тощо). Таким чином, тонкі рідкі плівки набули власного значення, оскільки є потужними інструментами (як експериментальними, так і теоретичними) в колоїдній та інтерфейсній науці.

Більше того, як уже зазначалося, властивості тонких рідких плівок є визначальними для властивостей відповідних дисперсних систем, частиною яких є плівки. Звичайно, дисперсна система - це не просто сума багатьох рідких плівок: вона набагато складніша. Тим не менше, знання властивостей плівок сприяє з'ясуванню проблем реальних дисперсних систем. Таким чином, вся інформація про пінопластові та емульсійні плівки, яка розглядається в цій главі, буде використана у розділах 7 та 8 при дослідженні пін та емульсій відповідно.