Особенности расчета свободной энергии поверхности на основе модели межфазного взаимодействия Оунса–Вендта–Рабеля–Кьельбле

В строительном материаловедении для получения общей модели разрабатываемого материала часто применяют методы математического планирования эксперимента. Ключевой задачей при этом является сокращение альтернатив, т. е. обоснованный выбор компонентов материала. Для композиционных материалов как сложных технических систем характерно проявление интегративного свойства, обеспечивающего неаддитивность влияния свойств компонентов на свойства композита в связи со структурообразованием на границе раздела фаз. Поэтому рациональным является использование данных о поверхностном натяжении материала (свободной энергии поверхности единицы площади материала) в качестве интегрального критерия совместимости компонентов. Указанный информационный параметр определяется неразрушающим способом, например рассчитывается по модели межфазного взаимодействия Оунса–Вендта–Рабеля–Кьельбле на основании экспериментально определенных статических краевых углов смачивания поверхности исследуемого материала рабочими жидкостями. Однако в настоящее время в научном сообществе поднимаются вопросы о правомочности использования этих углов для расчета в связи с неоднозначным толкованием равновесного состояния системы, образованной порошкообразными материалами. Поэтому целью данной работы явилась демонстрация того, как продолжительность установления механического равновесия в системе рабочая жидкость – поверхность исследуемого твердого тела и выбор метода измерения могут повлиять на величину статических краевых углов смачивания, рассчитанное на их основе поверхностное натяжение. Предложены рекомендации по подготовке пресс-образцов из тонкодисперсных порошков и временным периодам измерения краевых углов рабочими жидкостями с высокой и низкой вязкостью. Получено доказательство правомочности использования статических краевых углов для выбранных рабочих жидкостей (декан, этиленгликоль, глицерин, вода) при условии соблюдения рекомендаций по временным периодам измерения, которые должны быть определены в предварительных экспериментах с использованием анализируемой поверхности опытных образцов.

В.Е. ДАНИЛОВ¹, канд. техн. наук (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.)
Е.В. КОРОЛЕВ², д-р техн. наук (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.)
А.М. АЙЗЕНШТАДТ¹, д-р хим. наук (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.)
В.В. СТРОКОВА³, д-р техн. наук (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.)

¹ Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова (163002, г. Архангельск, наб. Северной Двины, 22)
² Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (129337, г. Москва, Ярославское ш., 26)
³ Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова (308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46)

1. Баженов Ю.М., Гарькина И.А., Данилов А.М., Королев Е.В. Системный анализ в строительном материаловедении. М.: МГСУ, 2012. 432 с.
2. Гарькина И.А., Данилов А.М., Королев Е.В. Проектирование и оптимизация свойств сложных систем // Региональная архитектура и строительство. 2018. 4 (37). С. 5–11.
3. Королев Е.В., Баженов Ю.М., Альбакасов А.И. Радиационно-защитные и химически стойкие серные строительные материалы. Пенза; Оренбург: ИПК ОГУ, 2010. 364 с.
4. Чернышов Е.М. Современное строительное материаловедение: эволюция методологий и фундаментальности научного знания. Материалы международной научно-практической конференции-семинара. Волгоград: ВГАСУ, 2004. С. 20–25.
5. Мчедлов-Петросян О.П. Химия неорганических строительных материалов. М.: Стройиздат, 1988. 304 с.
6. Харитонов А.М. Развитие методов оптимизации составов многокомпонентных строительных композитов // Фундаментальные исследования. 2015. № 11–3. С. 520–523.
7. Данилов В.Е., Айзенштадт А.М., Фролова М.А., Тутыгин А.С. Изменение поверхностной энергии – критерий оптимизации состава бесцементного композиционного вяжущего // Материаловедение. 2018. № 2. С. 39–44.
8. Королев Е.В., Гришина А.Н., Пустовгар А.П. Поверхностное натяжение в структурообразовании материалов. Значение, расчет и применение // Строительные материалы. 2017. № 1–2. С. 104–108. DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2017-745-1-2-104-108
9. Данилов В.Е., Строкова В.В., Айзенштадт А.М. Роль дисперсионных и поляризационных эффектов при формировании древесно-минерального композита на основе тонкодисперсных компонентов // Физика и химия обработки материалов. 2018. № 4. С. 50–56.
10. Тарасенко А.Д., Дулина О.А., Буканов А.М. Влияние неполимерных компонентов резиновой смеси на поверхностные свойства эластомерных композиций // Тонкие химические технологии / Fine Chemical Technologies. 2018. Т. 13. № 5. С. 67–72.
11. H. Yildirim Erbil. The debate on the dependence of apparent contact angles on drop contact area or three-phase contact line: A review // Surface Science Reports. 2014. Vol. 69. Iss. 4, pp. 325–365. https://doi.org/10.1016/j.surfrep.2014.09.001
12. Tommi Huhtamäki, Xuelin Tian, Juuso T. Korhonen and Robin H.A. Ras. Surface-wetting characterization using contact-angle measurements // Nature Protocols. 2018. Vol. 13, pp. 1521–1538. https:/ /doi.org/10.1038/s41596-018-0003-z
13. Jaroslaw Drelich. Guidelines to measurements of reproducible contact angles using a sessile-drop technique // Surface Innovations. 2013. Vol. 1. Iss. 4, pp. 248–254. https://doi.org/10.1680/si.13.00010
14. Jaroslaw W. Drelich. Contact angles: From past mistakes to new developments through liquid-solid adhesion measurements // Advances in Colloid and Interface Science. 2019. Vol. 267, pp. 1–14. https://doi.org/10.1016/j.cis.2019.02.002
15. Ström G., Frederikson M., Stenius P. Contact angles, work of adhesion and interfacial tensions at a dissolving hydrocarbon surface // Journal of Colloid and Interface Science. 1987. Vol. 119. Iss. 2, pp. 352–361. https://doi.org/10.1016/0021-9797(87)90280-3
16. Joseph J. Jasper The surface tension of pure liquid compounds // Journal of Physical and Chemical Reference Data. 1972. Vol. 1, No. 841. https://doi.org/10.1063/1.3253106
17. Barsan ME (2007) NIOSH pocket guide to chemical hazards. Department of Health and Human Services, Center for Disease Control and Prevention, DHHS (NIOSH). Publication No. 2005-149. NIOSH Publications, US.