FENOMENA SUDUT KONTAK DAN WETTING

1. FENOMENA SUDUT KONTAK DAN WETTING

2. Beberapa Fenomena Wetting • Tetes air hujan di jendela • Dispersi serbuk coklat dalam susu • Spreading tinta di atas kertas, pelapisan dan cat, distribusi herbisida di permukaan daun (complete wetting) • Pakaian anti-hujan seharusnya tidak mudah terbasahi oleh air, road pavement juga tidak boleh mudah basah dan menyerap air sehingga cepat rusak, dll (avoid wetting)

3. Persamaan Young – Sudut Kontak • Persamaan Young adalah dasar dari uraian kuantitatif fenomena wetting • Jika satu tetes liquid ditempatkan di permukaan solid, akan ada 2 kemungkinan (1) liquid spreads diatas permukaan secara sempurna (sudut kontak  = 0o) atau (2) terbentuk sudut kontak tertentu, pada kasus ini terbentuk garis kontak 3 fase disebut juga wetting line • Pada garis kontak ini, ada 3 fase yang saling berkontak, solid, liquid dan uap • Persamaan Young menghubungkan sudut kontak dengan tegangan permukaan S, L dan SL

5. Jika tegangan interface permukaan solid lebih tinggi dari interface solid-liquid (S > SL) sisi kanan persamaan Young positif • Sehingga cos  haruslah positif dan sudut kontak kecil dari 90o, liquid membasahi solid secara parsial • Jika interface solid-liquid energetically less favorable dibanding permukaan solid ((S < SL) sudut kontak akan melebihi 90o karena cos  akan bernilai negatif

6. Line Tension • Spreading biasanya disertai perubahan panjang dari wetting line • Misalnya: jika satu tetes dengan area kontak bundar spread, panjang garis kontak 3 fase meningkat sebesar 2a da. • Seperti halnya pembentukan luas permukaan baru, pembentukan wetting line baru juga membutuhkan energi • Energi per unit panjang disebut line tension . Untuk tetes yang jauh lebih kecil dari 1 mm, line tension harus diperhitungkan dan suku kedua persamaan Young menjadi:

7. Complete Wetting • Kita bisa re-arrange persamaan Young • Cosinus tidak bisa lebih besar dari 1, sehingga timbul pertanyaan apa yang terjadi jika S - SL - L > 0 atau S - SL lebih besar dari L? apakah hal ini tidak melanggar persamaan Young? • Hal diatas tidak melanggar persamaan Young karena dalam kesetimbangan termodinamika S - SL - Ltidak akan pernah positif • Jika kita bisa membuat situasi S > SL + L, maka energi bebas Gibbs sistem turun dengan pembentukan continuous liquid film di permukaan solid

8. At first glance S = SL + L terlihat seperti pengecualian, namun itu tidaklah demikian • Dalam kesetimbangan, dengan adanya uap jenuh S tidak pernah lebih besar dari L + SL • Sehingga jika sistem berada dalam kesetimbangan dan kita mendapatkan complete wetting maka S = SL + L • Dalam prakteknya sistem sering tidak dalam kesetimbangan dan kita akan menemui koefisien spreading S = S - SL - L bisa bernilai positif. • Koefisien ini mengukur sekuat apa liquid dapat spread di atas permukaan. Untuk S < 0, sudut kontak akan terbentuk pada nilai tertentu.

9. Capillary Rise • Naiknya liquid dalam pipa kapiler adalah contoh aplikasi persamaan Young sekaligus salah satu cara mengukur sudut kontak • Jika kapiler diturunkan kedalam liquid, liquid seringkali naik hingga ketinggian tertentu • Untuk kapiler dengan jari-jari rC tinggi naiknya liquid didefinisikan dengan:

10. Important Wetting Geometries

11. Contoh • Air dalam pohon naik melalui kapiler yang disebut xylem, xylem memiliki jari-jari 5-170 m dan completely wetted ( = 0). Berapa tinggi maksimum air dapat naik dalam sistem kapiler demikian? Jika jari-jari kita pilih 5 m, maka:

12. Partikel dalam Liquid-Gas Interface • Partikel kecil terikat pada interface liquid-gas jika sudut kontak tidak nol • Misalkan ada partikel kecil berbentuk bola/sphere (kecil berarti kita bisa mengabaikan pengaruh gaya gravitasi dan daya apung) • Contoh diatas valid untuk partikel dengan diameter ≈100 m • Untuk  > 0 partikel akan stabil di permukaan liquid, posisinya di permukaan didasarkan fakta bahwa permukaan liquid tidak terganggu • Permukaan liquid yahg planar juga akan planar dengan partikel teradsorb.

13. Partikel kecil spheris pada interface liquid-gas dimana gavitasi diabaikan (kiri). Bentuk interface tidak berubah oleh kehadiran partikel. • untuk partikel yang lebih besar (kanan) interface liquid berubah dan gaya kapiler bersih menstabilkan partikel dan mencegahnya dari tenggelam

14. Kerja yang dibutuhkan untuk memindahkan partikel dari interface liquid-gas dapat dihitung dari perubahan energi bebas Gibbs • Kerja ini penting diketahui dalam aplikasi mis: flotasi

15. Network of Fibres • Perilaku wetting jaringan fiber penting untuk dipelajari dalam aplikasi misal: daya tolak akain terhadap air • Kain kita modelkan dengan sekumpulan silinder paralel dipisahkan oleh jarak tertentu, jarak diasumsikan kecil dibanding konstanta kapiler sehingga permukaan liquid ditentukan oleh persamaan Laplace • Untuk tekanan eksternal kecil, air tidak dimungkinkan lewat kecuali sudut kontak nol • Liquid membentuk sudut kontak dengan solid yang akan menentukan sejauhmana liquid penetrasi kedalam jarak antar serat/fiber

17. Fiber silindris paralel dengan liquid diatasnya. • Dalam kasus pertama tidak ada tekanan eksternal sehingga permukaan liquid planar • Sudut kontak besar dari 90o dicontoh pertama namun kecil dari 90o (besar dari nol) pada kasus kedua • pada contoh ketiga ada tekanan hidrostatik eksternal sehingga permukaan melengkung

18. Pengukuran Sudut Kontak • Metode paling umum mengukur sudut kontak adalah dengan mengamati sessile drop menggunakan mikroskop • Sudut kontak ditentukan secara langsung dengan goniometer atau image direkam dan gambar dicocokkan dengan persamaan Laplace dengan bantuan komputer • Prosedur yang sama juga dapat dipakai untuk menentukan tegangan permukaan liquid • Untuk tetes kecil dimana efek hidrostatis diabaikan kita dapat mengukur sudut kontak dari tinggi h tetes tsb • Dari pengukuran tinggi dan jari-jari kontak a tetes kita dapat menghitung tan (/2) = h/a

19. Metode alternatif pengukuran sudut kontak adalah dengan mengukur tepi gelembung, metode ini disebut captive atau sessile bubble • Pada metode ini gelembung diposisikan diatas sel atau diisi dengan liquid

20. Teknik yang umum digunakan adalah metode Wilhelmy plate, jika sudut kontak besar dari nol, gaya yang menarik piringan ke liquid sebesar 2Llcos  • Dimana l adalah lebar piringan

21. Sudut kontak beberapa liquid pada beberapa padatan pada 25oC

22. Hysteresis dalam pengukuran sudut kontak • Sejauh ini kita menganggap permukaan ideal, namun pada permukaan riil kita harus menghadapi hysteresis • Jika kita mengukur sudut kontak saat volume tetes membesar, kita akan dapat sudut kontak advancing adv • Jika kemudian volume tetes kita kurangi dan sudut kontak diukur saat itu, maka kita akan mendapatkan sudut kontak receding rec. • Biasanya adv lebih besar dari rec, selisih adv - rec disebut hysteresis sudut kontak dan memiliki nilai berkisar 5-20o

23. Penyebab Hysteresis • Surface roughness • Heterogenitas atau kontaminasi permukaan padatan • Adanya zat terlarut pada garis kontak tiga fasa • Adanya gaya yang menekan permukaan pada garis kontak 3 fasa yang menyebabkan perubahan struktur permukaan • Adsorpsi dan desorpsi molekul liquid saat spreading atau receding liquid yang disertai pelepasan energi

24. Tetes advancing di permukaan padatan dengan tonjolan mikroskopis

25. Dinamika Wetting • Dalam dinamika wetting, liquid menggantikan fluida lain (udara) dari permukaan solid, ada 2 jenis wetting dipaksa/forced dan spontan • Dalam forced wetting, gaya mekanis atau hidrodinamik diberikan dan memaksa area interfacial solid-liquid meningkat diatas kondisi setimbang • Forced wetting memainkan peran penting dalam industri coating, dimana lapis tipis liquid didepositkan secara kontinyu dipermukaan padatan yang bergerak • Forced wetting juga berperan dalam polymer processing dan enhanced oil recovery

26. Dinamika Wetting • Wetting spontan adalah menyebarnya liquid pada permukaan solid sesuai arah kesetimbangan termodinamika • Wetting spontan berperan penting dalam aplikasi cat, adhesive, lubricants, detergensi dan flotasi

27. Dewetting • Dalam beberapa aplikasi, lapisan di permukaan padatan hanya stabil pada ketebalan tertentu saja atau metastabil • Contoh kasus ini adalah lapisan logam yang disiapkan dengan evaporasi juga pada film/lapisan polimer • Ada 2 cara pelapisan polimer (1) dip coating dan yang ke (2) spin coating

28. Dip and spin coating are two common techniques to form polymer films on solid surfaces

29. Flotasi • Flotasi adalah metode untuk memisahkan partikel padatan satu sama lain • Dalam prosesnya, biji material dihancurkan hingga dibawah ukuran 0,1 mm • Partikel2 ini dicampur dengan air membentuk sol, sol ini dinamakan juga pulp • Pulp dialirkan dalam kontainer dan gelembung udara juga dimasukkan • Partikel kaya akan mineral terikat pada gelembung udara oleh gaya hidrofobik dan terbawa ke permukaan kontainer • Busa stabil yang disebut froth terbentuk dan dapat diambil untuk dipisahkan

30. Gelembung biasanya lebih besar dari partikel sehingga interface air-udara planar terhadap partikel

31. Detergensi • Detergensi adalah terkait teori dan praktek pemisahan material asing dari padatan dengan bantuan zat surface active • Partikel kotoran secara spontan akan meninggalkan permukaan padatan jika secara energetika memungkinkan mengganti interface kotoran-solid (SD) oleh dua interface; kotoran-larutan (DW) dan solid-larutan (SW), perubahan energi bebas Gibbs haruslah negatif • G = A.(DW + SW - SD) ≤ 0 • A adalah area kontak, kondisinya dapat disederhanakan : SD ≥ DW + SW

32. Surfaktan yang efektif harus mampu menurunkan SW dan DW tanpa menurunkan SD secara signifikan • Turunnya tegangan permukaan air (dengan terbentuknya gelembung) tidak menjadi bukti surfaktan efektif untuk detergensi • Karakteristik lain yang penting adalah kemampuan surfaktan untuk menjaga partikel kotoran dalam larutan • Tanpa kemampuan ini, proses pencucian hanya akan menyebabkan uniform distribution dari partikel kotoran