FENOMENA SUDUT
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
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
SL S
L
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 90
o, liquid membasahi solid
secara parsial
Jika interface solid-liquid energetically less
favorable dibanding permukaan solid ((
S<
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 2a 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:
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
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
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 r
Ctinggi naiknya
liquid didefinisikan dengan:
Contoh
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
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
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
22
.
cos
1
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
Fiber silindris paralel dengan liquid
diatasnya.
Dalam kasus pertama tidak ada tekanan
eksternal sehingga permukaan liquid planar
Sudut kontak besar dari 90
odicontoh
pertama namun kecil dari 90
o(besar dari
nol) pada kasus kedua
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
Metode alternatif pengukuran sudut kontak adalah
dengan mengukur tepi gelembung, metode ini disebut captive atau sessile bubble
Pada metode ini gelembung diposisikan diatas sel
Teknik yang umum digunakan adalah
metode Wilhelmy plate, jika sudut kontak
besar dari nol, gaya yang menarik piringan
ke liquid sebesar 2
Llcos
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
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
Tetes advancing di permukaan
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
Dinamika Wetting
Wetting spontan adalah menyebarnya
liquid pada permukaan solid sesuai
arah kesetimbangan termodinamika
Wetting spontan berperan penting
dalam aplikasi cat, adhesive,
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
Dip and spin coating are two common
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
Gelembung biasanya lebih besar dari partikel
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 solid (SD) oleh dua interface; kotoran-larutan (DW) dan solid-kotoran-larutan (SW), perubahan energi bebas Gibbs haruslah negatif
G = A.(DW + SW - SD) ≤ 0
A adalah area kontak, kondisinya dapat
Surfaktan yang efektif harus mampu
menurunkan
SWdan
DWtanpa menurunkan
SDsecara 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
