thumb|Kolmen faasin välisellä rajapinnalla nestepisaraan vaikuttavat voimat. thumb|Kontaktikulma < 90°. thumb|Kontaktikulma > 90°. Kontaktikulma on kiinteän faasin rajapinnan ja nestefaasin rajapinnan tangentin välinen kulma θ.

Sopimuksen mukaan kontaktikulma mitataan nestefaasin puolelta. Kun nestepisara asetetaan kaasufaasin rajoittamalle kiinteälle pinnalle, muodostuu kolmen faasin välinen rajapinta. Rajapinta liikkuu, kunnes interfasiaaliset pintajännitykset ovat tasapainossa.Barnes, G.T. ja Gentle, I.R. Interfacial Science. An Introduction, s. 247. Oxford University Press, 2005. .

Tasapainotilanteelle saadaan yhtälö

missä on kaasufaasin (G) ja kiinteän faasin (S) välinen pintajännitys, on nestefaasin (L) ja kiinteän faasin välinen pintajännitys ja kaasufaasin ja nestefaasin välinen pintajännitys. Yhtälö tunnetaan Youngin yhtälönä, ja kulmaa θ kutsutaan Youngin kontaktikulmaksi. Yuan, Y. ja Lee, T.R. Contact Angle and Wetting Properties. G. Bracco, B. Holst (eds.). Surface Science Techniques. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2013. ISBN 978-3-642-34243-1

Kontaktikulman ollessa < 90 °, cos θ > 0, jolloin nestefaasin ja kiinteän faasin välinen pintajännitys on pienempi kuin kaasufaasin ja kiinteän faasin välinen pintajännitys . Tällöin neste kostuttaa kiinteän aineen. Jos kontaktikulma on 0 °, pinta on täydellisesti kostunut.

Kontaktikulman ollessa > 90 °, cos θ < 0, jolloin nestefaasin ja kiinteän faasin välinen pintajännitys on suurempi kuin kaasufaasin ja kiinteän faasin välinen pintajännitys . Tällöin neste ei kostuta kiinteää ainetta.

Kontaktikulman hystereesi

Youngin yhtälön kolme parametria , ja määrittelevät yhden kontaktikulman θ. Käytännössä kuitenkin kiinteällä pinnalla olevan nestepisaran tila ei ole aina tasapainossa, eikä mitattu kontaktikulma aina vastaa Youngin kontaktikulmaa θ. Kun kolmen faasin rajapinta on liikkeessä, muodostuvaa kontaktikulmaa kutsutaan dynaamiseksi kontaktikulmaksi. Mittaamalla kontaktikulma, kun nestepisaraa laajennetaan ja pienennetään, saadaan etenevä kontaktikulma (advancing contact angle) ja vetäytyvä kontaktikulma (receding contact angle). Näiden kulmien välistä erotusta kutsutaan hystereesiksi H,

Kontaktikulman hystereesis johtuu siitä, että rajapinnan liikuttamiseen täytyy tehdä uuden pinnan luomiseen tarvittavaa työtä. Tästä aiheutuu kitkavoima, joka muuttaa Youngin yhtälön tasapainoa.

Kontaktikulma käytännössä

Kontaktikulman suuruus riippuu kontaktissa olevien aineiden ominaisuuksista. Mikäli neste ja kiinteä faasi ovat samankaltaisia (molemmat joko hydrofobisia tai hydrofiilisiä), kontaktikulma on pieni. Mikäli neste- ja kiinteäfaasi ovat keskenään erilaisia (toinen hydrofobinen ja toinen hydrofiilinen), kontaktikulma on suuri. Esimerkiksi veden ja monien hiilivetyjen sekä TefloninTM (polytetrafluorieteeni) väliset kontaktikulmat ovat suuria. Kun veden ja pinnan kontaktikulma θ > 150 °, sanotaan pinnan olevan superhydrofobinen. Kun veden ja pinnan välinen kontaktikulma θ < 10 °, pintaa kutsutaan superhydrofiiliseksi. Ominaisuuksiltaan erilaisia pintamateriaaleja löytyy esimerkiksi kasvien lehdistä. Joidenkin kasvien lehdet osoittavat superhydrofobisuutta, kuten kaalin (Brassica Oleracea )lehdet , kun taas erään petunialajikkeen (Ruellia Devosiana) lehdet ovat hyvin hydrofiiliset. Koch, K. ja Barthlott, W. Superhydrophobic and Superhydrophilic Plantsurfaces: An Inspiration for Biomimetic Materials. Phil. Trans. R. Soc. A, 2009. http://royalsocietypublishing.org/content/roypta/367/1893/1487.full.pdf

Itsepuhdistuvat pinnat perustuvat pinnan superhydrofobisuuteen. Lika tarttuu pinnalta pois kierivään vesipisaraan. Rolith. Self-Cleaning / Superhydrophobic Surfaces. Rolith Inc., 2015. http://www.rolith.com/applications/self-cleaning (viitattu 3.6.2015) Tulevaisuudessa materiaaleja, joiden välinen kontaktikulma on suuri, voidaan käyttää esimerkiksi jäänestosovelluksissa. Halvorsen, A.M. Hydrophobic Coatings for Anti-Icing Applications. Norwegian University of Science and Technology, Department of Materials Science and Engineering, 2014. http://www.diva-portal.org/smash/get/diva2:748322/FULLTEXT01.pdf

Kontaktikulman mittaaminen

Kontaktikulman mittaamiseen on lukuisia menetelmiä. Yleisin näistä on pisaramenetelmä. Muita menetelmiä ovat muun muassa Wilhelmyn levy –menetelmä ja kapillaarinousumenetelmä.

Taulukossa on esimerkkejä veden ja glyseriinin kontaktikulmista erilaisilla pinnoilla.

+ Kontaktikulmat Thissen H., Evans R., Koegler A. Hydrogen cyanide-based polymer surface coatings and hydrogels. AU WO2013170308 A1.2013. http://www.google.com/patents/WO2013170308A1?cl=en Njobuenwu, D.O., Oboho, E. O., Gumus, R.H. Determination of Contact Angle from Contact Area of Liquid Droplet Spreading on Solid Substrate. Department of Chemical/Petrochemical Engineering, Rivers State University of Science & Technology,Nigeria. Institute of Particle Science & Engineering, School of Process, Environmental & Materials Engineering, University of Leeds, United Kingdom, 2007. http://lejpt.academicdirect.org/A10/029_038.htm Accu Dyne Test.2009. Critical Surface Tension and Contact Angle with Water for Various Polymers. Diversified Enterprises, U.S.A. http://www.accudynetest.com/polytable_03.html?sortby=contact_angle (luettu 2.6.2015) Pinta Vesi Glyseriini FEP 114,3° PP 100,8° PDMS 96,6° PTFE 93,1° PS 92,9° 104° PES 81,2° PET 67° Teräs 51,2° Kulta 17,1° Lasi 15,6° 28,5° Mica 3,9° PMMA 70,9° 70,64°

Katso myös Pintajännitys Kontaktikulman mittaaminen Hydrofobinen Hydrofiilinen

Lähteet

Aiheesta muualla

Luokka:Kemia Luokka:Virtausmekaniikka