Inżynieria materiałowa Temat: BADANIE ADHEZJI FAZY CIEKŁEJ DO FAZY STAŁEJ			Ćw. Nr 2
Imię i nazwisko:
Data ćwiczenia: 23.10.2008	Data oddania sprawozdania: 6.11.2008	Ocena:

1. WPROWADZENIE

Spośród właściwości fizycznych dielektryków jedną z ważniejszych jest adhezja fazy ciekłej do fazy stałej. Zjawisko adhezji w zasadniczy sposób określa warunki pracy układu izolacyjnego dielektryk ciekły - dielektryk stały, układu stosowanego np. w kondensatorze, składającym się z folii polimerowej impregnowanej syciwem ciekłym. To właśnie dzięki umiejętnie dobranym polarnością materiału stałego i ciekłego zapewnia się odpowiednie warunki adhezji cieczy i możliwe staje się impregnowanie nieprzepuszczalnej folii.

W odniesieniu do układu ciało stałe - woda, wynik adhezji nazywa się zwilżalnością. Adhezja wody do dielektryku stałego rozumiana jest zasadniczo w kategoriach negatywnych.

Forma wystąpienia wody na powierzchni ciała stałego uzależniona jest od energii adhezji ciała stałego i cieczy w kierunku normalnej do powierzchni rozdziału dwóch faz.

Energie adhezji opisuje równanie:

W = γ ( 1 + cos ),

gdzie:

γ - napięcie powierzchniowe cieczy na granicy z powietrzem,

 - kat zwilżania.

Na poniższym rysunku pokazano interpretację kąta zwilżania:

Jeśli kąt zwilżania  > 90, wówczas adhezja wody do ciała stałego mniejsza jest od kohezji molekuł wody, materiał nie zwilża się i jest nazywany hydrofobowym. Jeśli kąt zwilżania  < 90, wówczas adhezja wody do materiału stałego przewyższa siły kohezji molekuł wody, materiał zwilża się i jest nazywany hydrofilnym.

Na powierzchni materiałów hydrofobowych woda występuje w postaci odosobnionych kropli, których kształt zależy od kata zwilżania. Na powierzchni materiałów hydrofilnych woda występuje w postaci płaskich rozlanych kropli albo ciągłej monomolekularnej lub polimolekularnej warstwy.

Materiały wykazujące objętościową chłonność wody nazywają się higroskopijnymi.

Dielektryki polimerowe można podzielić na:

- zwilżające się i higroskopijne,

- zwilżające się ale niehigroskopijne,

- nie zwilżające się i niehigroskopijne.

Jeżeli materiał higroskopijny przebywa w środowisku o dużej wilgotności względnej, wówczas obserwujemy wzrost jego przenikalności elektrycznej.

2. Opis czynności

A) Wyznaczenie kąta zwilżania:

• do wyznaczenia kąta zwilżania zostały wykorzystane: komputer z oprogramowaniem do edycji zdjęć, cyfrowa kamera, stolik przedmiotowy, pipeta, próbki (Silopren 2950, PCV medyczny, polietylen, Silopren 2841, polietylen półprzewodzący, oraz PCV techniczny), oraz woda destylowana,

• każda próbka przed dokonaniem badania została dokładnie oczyszczona,

• po oczyszczeniu, na próbkach została umieszczona kropla wody destylowanej za pomocą pipety (wpływ objętości kropli pominięto z polecenia prowadzącego),

• po umieszczeniu kropli została ona sfotografowana za pomocą kamery, a ze zdjęcia odczytana została, za pomocą oprogramowania do edycji zdjęć, wysokość i szerokość kropli w pikselach,

• badania zostały przeprowadzone tylko dla wody destylowanej z polecenia prowadzącego,

• obliczony został kąt zwilżania dla każdej próbki wg poniższego sposobu:

a) dla materiałów hydrofilnych:

Aby obliczyć kąt zwilżania dla materiałów hydrofilnych należy obliczyć tangens kąta β, później korzystając z sumy kątów w trójkącie wyznaczyć kąt γ, a następnie pamiętając, że powyższy trójkąt jest trójkątem równoramiennym (o długości ramienia r) wyznaczyć kąt α (suma kątów α i γ jest równa kątowi β, ponieważ kąty przy podstawie w trójkącie równoramiennym są sobie równe). Kąt zwilżania będzie równy różnicy kąta prostego i kąta α.

b) dla materiałów hydrofobowych:

Aby obliczyć kąt zwilżania dla materiałów hydrofobowych należy obliczyć tangens kąta β, później korzystając z zależności kątów wpisanego i środkowego opartych na tym samym łuku wyznaczyć kąt γ, a następnie wykorzystując sumę kątów w trójkącie obliczyć kąt α. Kąt zwilżania będzie równy sumie kąta prostego i kąta α.

B) Wyznaczanie względnej przenikalności elektrycznej:

• do wyznaczenia przenikalności elektrycznej zostały wykorzystane: miernik RLC, próbki (Silopren 2950, PCV medyczny, polietylen, Silopren 2841, polietylen półprzewodzący, oraz PCV techniczny), mikrometr i kondensator o podanej w instrukcji specyfikacji,

• kolejno zmierzone zostały grubości próbek w trzech różnych miejscach,

• na podstawie powyższych pomiarów została obliczona średnia grubość każdej próbki,

• miernikiem RLC odczytane zostały pojemności kondensatora, po umieszczeniu między okładzinami kolejnych próbek,

• obliczone zostały pojemności po zastąpieniu dielektryka próżnią lub suchym, niezjonizowanym powietrzem, wykorzystując dane specyfikacyjne kondensatora z poniższego schematu:

• obliczenia zostały przeprowadzone wg następującego wzoru:

3. OBLICZENIA

1. Wyznaczenie kąta zwilżania:

• Przykładowe obliczenia dla PCV technicznego (materiał hydrofilny) i wody destylowanej:

• Przykładowe obliczenia dla polietylenu (materiał hydrofobowy) i wody destylowanej:

• Tabela wyników dla materiałów hydrofilnych:

Materiały	Szerokość[px]	Wysokość[px]	tgβ	β[°]	γ[°]	α[°]	θ[°]
PCV techniczny	114	23	2.47826087	68	22	46	44
PCV medyczny	117	24	2.4375	68	22	46	44

• Tabela wyników dla materiałów hydrofobowych:

Materiały	Szerokość[px]	Wysokość[px]	tgβ	β[°]	γ[°]	α[°]	θ[°]
Polietylen	83	34	1.220588235	51	102	-12	102
Polietylen półprzewodzący	85	37	1.148648649	49	98	-8	98
Silopren 2950	73	26	1.403846154	55	110	-20	110
Silopren 2841	81	27	1.5	57	114	-24	114

Wszystkie wyniki obliczeń wykonane są z użyciem wody destylowanej i pominięciem objętości kropli, na polecenie prowadzącego ćwiczenie.

2. Wyznaczanie względnej przenikalności elektrycznej:

• Przykładowe obliczenia pojemności C₀ oraz ε_r dla PCV technicznego:




• Tabela obliczeń średniej grubości próbki:

Materiał	Pomiar I[cm]	Pomiar II[cm]	Pomiar III[cm]	Średnia[cm]	Średnia zaokrąglona[cm]
PCV techniczny	0.206	0.219	0.229	0.218	0.218
PCV medyczny	0.211	0.204	0.224	0.213	0.213
Polietylen	0.204	0.2	0.195	0.199666667	0.2
Polietylen półprzewodzący	0.209	0.218	0.224	0.217	0.217
Silopren 2950	0.387	0.398	0.387	0.390666667	0.391
Silopren 2841	0.301	0.302	0.298	0.300333333	0.3

• Tabela obliczeń względnej przenikalności elektrycznej:

Materiał	Grubość średnia[cm]	Pojemność Cd [pF]	Pojemność C0 [pF]	Przenikalność względna εr
PCV medyczny	0.218	29.6	10.91038417	2.713011708
PCV techniczny	0.213	28.2	11.16649648	2.525411623
Polietylen	0.2	33.1	11.89231875	2.783309184
Polietylen półprzewodzący	0.217	1010	10.96066244	92.1477151
Silopren 2950	0.391	16	6.083027494	2.630269223
Silopren 2841	0.3	21.2	7.9282125	2.673994926

3. Zależność względnej przenikalności elektrycznej od kąta zwilżania:










3. Wnioski końcowe

Z przeprowadzonych badań jasno wynika, które materiały są hydrofilne, a które hydrofobowe. Ciężko jednak ustalić jaki wpływ na przenikalność elektryczną ma kąt zwilżania. W obliczu niemożności znalezienia jakichkolwiek danych na ten temat przyjmuję, że jakiś wpływ mieć powinna. W związku z tym należało by się zastanowić co mogło wpłynąć na powyższy wynik. Może być to spowodowane błędami w pomiarach pojemności kondensatora, po umieszczeniu między okładzinami kolejnych próbek, lub też różnymi grubościami poszczególnych próbek. Błędy w pomiarach mogą być natomiast spowodowane złą kalibracją miernika RLC, bądź też nieumiejętnym odczytaniem wyników. Błędy mogły również wyniknąć ze złego przygotowania próbek do odczytania szerokości u podstawy i wysokości kropli cieczy, bądź też nieumiejętnego odczytania tychże danych. Wpływ mogło mieć również pominięcie objętości kropli przy obliczeniach. Pomyłka mogła się również wkraść w sposobie obliczania kąta zwilżania. Jest tutaj wiele niewiadomych i myślę, że aby je rozwiać badanie powinno zostać powtórzone, ze zwróceniem szczególnej uwagi na dokładność wszystkich pomiarów.




---