Оцінка поверхневої енергії твердих тіл з використанням двокомпонентних сумішей пробних рідин

ОЦІНКА ПОВЕРХНЕВОЇ ЕНЕРГІЇ ТВЕРДИХ ТІЛ З ВИКОРИСТАННЯМ ДВОКОМПОНЕНТНИХ СУМІШЕЙ ПРОБНИХ РІДИН

EVALUATION OF THE SURFACE ENERGY OF SOLIDS USING TWO-COMPONENT MIXTURES OF TEST LIQUIDS

Сторінки: 81-86. Номер: №3, 2021 (297)
Автори:
О.В. МИРОНЮК, Д.В. БАКЛАН, А.В. НОВОСЕЛЬЦЕВ
Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»
Oleksiy MYRONYUK, Denys BAKLAN, Andrii NOVOSELTSEV
Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»
DOI: https://www.doi.org/10.31891/2307-5732-2021-297-3-81-86
Надійшла / Paper received :  11.05.2021 р
Надрукована / Paper Printed : 30.06.2021 р

Анотація мовою оригіналу

Процеси проектування композиційних матеріалів вимагають прийняття до уваги енергії поверхні фаз. Вибір серії тестових рідин для визначення поверхневої енергії в рамках моделей Зісмана і Оуенса-Вендта іноді викликає труднощі, які полягають у взаємодії цих рідин – розчинення або набухання субстрату. У роботі було розглянуто можливість використання суміші пари пробних рідин, що не взаємодіють з матеріалом і фактори, які можуть лімітувати точність визначення. Також на прикладі стеаринової кислоти проілюстровано хід визначення поверхневої енергії цим методом. У результаті роботи було встановлено, що використання сумішевих розчинників при визначенні енергії поверхні в рамках моделі Оуенса-Вендта методом гоніометрії є доцільним з метою підвищення точності вимірювання. Показано, що використання тільки сумішевих розчинників є неефективним через обмеження зони варіативності ділянкою між координатами індивідуальних розчинників суміші. Було показано, що під час визначення поверхневої енергії матеріалів, які не є стійкими до дії розчинників, точність може бути підвищена за рахунок використання сумішевих розчинників, але для цього потребується урівноваження діапазону вимірювання.
Ключові слова: поверхнева енергія, метод Оуенса-Вендта, поверхневий натяг, кут змочування, стеаринова кислота.

Розширена анотація англійською мовою

The design processes of composite materials require considering the surface energy of the phases. The choice of a series of test fluids to determine surface energy in the framework of the Zisman and Owens-Wendt models sometimes causes difficulties in the interaction of these fluids – dissolution or swelling of the substrate. The minimum number of test fluids is two, but more is used to increase accuracy. The use of mixed solvents allows to increase the number of experimental points, as well as to more accurately adjust the polarity of the medium, which is essential in determining the surface energy of substances that are unstable to the action of many solvents. The paper considered the possibility of using a mixture of a pair of test liquids that do not interact with the material and factors that may limit the accuracy of the determination. Also, on the example of stearic acid illustrates the process of determining surface energy by this method. Polypropylene and polycarbonate were chosen to determine the surface energy in the Owens-Wendt model. Test liquids used included water, ethylene glycol, dimethyl sulfoxide, ethanol, cyclohexane, glycerol and tetrahydrofuran. As a result, the use of a mixed solvent to determine the surface energy of polymers can increase the accuracy of the method by increasing the number of experimental points on the Owens-Wendt graph. Increase of the experimental points area, however, is limited to the points of individual solvents of the mixture, and the uncovered part of the graph needs to be corrected to reduce the error. It is shown that the use of only mixed solvents is inefficient due to the restriction of the zone of variability by the area between the coordinates of the individual solvents of the mixture. It has been shown that when determining the surface energy of materials that are not resistant to solvents, the accuracy can be increased by using mixed solvents, but this requires balancing the measurement range.
Keywords: surface energy, Owens-Wendt method, surface tension, contact angle, stearic acid.

References

1. Rimai D. S. De Gruyter / D. S. Rimai, L. P. DeMejo, K. L. Mittal. – Berlin, Boston : De Gruyter, 2020. – 296 p.
2. Robert Lacombe. Adhesion Measurement Methods Theory and Practice / Robert Lacombe, 2005. – 456 p.
3. Water repellent coatings with hierarchal structures obtained on anodized aluminum with femtosecond laser ablation / [O. Myronyuk, V. A. Raks, D. Baklan et al.] // Applied Nanoscience. – 2021.
4. Myronyuk O. Evaluation of the surface energy of dispersed aluminium oxide using owens-wendt theory / O. Myronyuk, D. Baklan, L. Nudchenko // Technology Audit and Production Reserves. – 2020. – № 52. – P. 25–27.
5. Akihiro Abe. Polymer Analysis/Polymer Theory / Akihiro Abe, Karel Dusˇek, Shiro Kobayashi. – 2005. – 308 p.
6. Surface-wetting characterization using contact-angle measurements / Tommi Huhtamäki, Xuelin Tian, Juuso T. Korhonen, Robin H. A. Ras // Nature Protocols. – 2018. – № 13. – P. 1521–1538.
7. Rudawska A. Analysis for determining surface free energy uncertainty by the Owen–Wendt method / A. Rudawska, E. Jacniacka // International Journal of Adhesion and Adhesives. – 2009. – № 29. – P. 451–457.
8. Myronyuk O. V. Aspects of polymer surfaces wetting / O. V. Myronyuk, А. В. Prydatko, P. V. Sivolapov, V. A. Svidersky // Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. – – № 1(6). – P. 23–26.
9. Binary Liquid Mixture Contact-Angle Measurements for Precise Estimation of Surface Free Energy / [Z. Zhang, W. Wang, A. N. Korpacz et al.] // Langmuir. – 2019. – P. 12317–12325.
10. Berta D. A. Coatings of Polymers and Plastics / Berta. – New York : Marcel Dekker, 2003. – 97 p.
11. On oxygen plasma-treated polypropylene interfaces with air, water, and epoxy resins. II. Epoxy resins / [E. Occhiello, M. Morra, G. Morini et al.] // Journal of applied polymer science. – 1991. – № 42. – P. 2045–2052.
12. Schoff C. F. Coatings of Polymers and Plastics / Schoff. – New York : Marcel Dekker, 2003. – 227 p.
13. Charles M. Hansen. Hansen solubility parameters: a user’s handbook / Charles M. Hansen. – Boca Raton : CRC Press, 2007. – 519 p.
14. Gros A. T. Surface and interfacial tensions, viscosities, and other physical properties of some n-aliphatic acids and their methyl and ethyl esters / A. T. Gros, R. O. Feuge // Journal of the American Oil Chemists Society. – 1952. – № 29. – P. 313–317.
15. Saito M. Dispersion and Polar Force Components of Surface Tension of Oily Soils / M. Saito, A. Yabe. // Textile Research Journal. – 1984. – № 54. – P. 18–22.