گیلے پن سطحی سائنس کی بنیاد ہے اور تقریبا ہر نینو کوٹنگ فنکشن کی جسمانی اصل ہے — ہائیڈروفوبیسیٹی، خود کی صفائی، اینٹی فولنگ، آسنجن، سنکنرن تحفظ، پرنٹنگ ۔ گیلے پن کا بنیادی "حکمران" رابطہ زاویہ (CA) ہے ۔ انٹرفیشل تھرموڈائنامکس سے شروع کرتے ہوئے، یہ مضمون منظم طریقے سے ینگ مساوات، وینزیل اور کیسی بیکسٹر ماڈلز، سطحی توانائی اور ان کے انجینئرنگ کے استعمال کی وضاحت کرتا ہے ۔
kexinMaterials فعال نینو کوٹنگ کی ترقی میں بنیادی مانیٹرنگ میٹرکس کے طور پر رابطے کے زاویہ اور سطحی توانائی کا استعمال کرتا ہے، جو "گیلے پن سے کم سطحی توانائی کے ڈیزائن" کا اطلاق کرتا ہے ۔
1 ۔ بین چہرے کا تناؤ اور نوجوان مساوات
کیا ٹھوس پر مائع پھیلتا ہے اس کا فیصلہ تین انٹرفیس کشیدگیوں (ٹھوس بخارات S - V، ٹھوس مائع S - L، مائع بخارات L - V) کے توازن سے کیا جاتا ہے ۔ ایک مثالی ہموار، کیمیائی طور پر یکساں، سخت سطح پر، ایکساکن بوند نوجوان مساوات کو مطمئن کرتی ہے:
γ_SV = γ_SL + γ_LV · cos θ_Y → cos θ_Y = (γ_SV − γ_SL )/ γ_LV
θ_Y ینگ کانٹیکٹ اینگل ہے ۔ چھوٹا θ_Y → آسان پھیلانا (بہتر گیلا کرنا )؛ بڑا غیر → گیلا کرنا (ہائیڈروفوبک )۔ درجہ بندی: θ < 90° ہائیڈروفیلک، 90° ≤ θ < 150° ہائیڈروفوبک، θ ≥ 150° سپر ہائیڈروفوبک، θ ≈ 0° سپر ہائیڈروفیلک (پھیلاؤ )۔
نوٹ: γ_SV اور γ_SL براہ راست قابل پیمائش نہیں ہیں ؛ ایک قابل پیمائش پروب مائعات سے ٹھوس سطح سے آزاد توانائی γ_S کا تخمینہ لگاتا ہے — جو نیچے سطحی توانائی کی انحطاط کا باعث بنتا ہے ۔
2. ٹھوس سطحی توانائی: OWRK اور Fowkes
ٹھوس میں براہ راست ناپنے کے قابل "سطحی تناؤ" نہیں ہوتا ہے، لیکن معلوم سطحی تناؤ (پانی، ڈائیوڈو میتھین، فارمامائڈ) کے متعدد پروب مائعات کے رابطے کے زاویوں کی پیمائش کرکے، ماڈلز بیک- کیلکولیٹ γ_S اور اس کے قطبی/منتشر اجزاء:
- فوکس (1964): بین چہرے کے تناؤ کو منتشر اور قطبی اجزاء میں تقسیم کرتا ہے، γ = γ^d + γ^p ۔
- OWRK (Owens - Wendt - Kaelble - Label): دو پروب مائعات سے ٹھوس γ^D اور γ^P کو حل کرتے ہوئے جیومیٹرک مطلب مفروضہ کے ساتھ فوکس کو بڑھاتا ہے ۔
- ایسڈ بیس (وین اوس): پولر کو مزید تیزاب/بیس میں تقسیم کرتا ہے، جو اعلی توانائی کی سطحوں کے لئے موزوں ہے ۔
انجینئرنگ کا مطلب ہے: نینو کوٹنگ "ہائیڈروفوبیسیٹی" بنیادی طور پر ٹھوس سطحی توانائی کو کم کر رہی ہے (متعارف کروانا - CF -، - Si - CH - کم توانائی والے گروپس) تاکہ θ_Y کو بڑھایا جا سکے ۔ سطحی توانائی کی انحطاط کو سمجھنا "فلوروسلن میں ترمیم ہائیڈروفوبک کیوں ہے" اس سے آگے "یہ پھسلن محسوس ہوتی ہے" کی وضاحت کرتا ہے ۔
3. دو کسی نہ کسی سطح کے ماڈلز: وینزیل اور کیسی بیکسٹر
حقیقی کوٹنگ کی سطحیں خوردبین طور پر کھردری ہوتی ہیں، لہذا ینگ مساوات ناکام ہو جاتی ہے اور ایک کھردری عنصر داخل ہوتا ہے:
1. وینزیل (1936): قطرہ مکمل طور پر کھردری نالیوں کو گیلا کرتا ہے ؛ اصل ٹھوس مائع علاقہ = واضح علاقہ × کھردری r (>1): cos θ_W = r · cos θ_Y ۔ اگر اندرونی طور پر ہائیڈروفوبک (θ_Y > 90°، cos θ_Y < 0) ہے تو، بڑا r cos θ_W کو زیادہ منفی → θ_W بڑا بناتا ہے (کھردری پن ہائیڈروفوبکٹی کو بڑھاتا ہے )؛ اگر اندرونی طور پر ہائیڈروفیلک ہے تو، کھردری پن ہائیڈروفیلکٹی کو بڑھاتا ہے ۔ تو "پہلے ہائیڈروفوبک، پھر کھردرا" — کھردرا پن ہائیڈروفوبک کو ہائیڈروفوبک میں تبدیل نہیں کر سکتا ۔
2. کیسی بیکسٹر (1944): بوند نالیوں کو نہیں بھرتی ؛ ہوا نیچے پھنس جاتی ہے، ٹھوس سے صرف ایسپریٹی چوٹیوں پر رابطہ کرتی ہے، حصہ f (0<f<1): cos θ_CB = f · cos θ_Y - (1 − f )۔ جب f چھوٹا ہو اور ہوا کا حصہ بڑا ہو، cos θ_CB → −1، θ_CB 150° سے زیادہ ہو — بہت کم رول آف زاویہ (لوٹس اثر) کے ساتھ سپر ہائیڈروفوبک ۔
دونوں مخالف نہیں ہیں: کم کھردری کا رجحان وینزیل (گیلی)، زیادہ کھردری + کم سطحی توانائی کا رجحان کیسی- بیکسٹر (جامع) ہے ۔ نینو کوٹنگ کے عمل کا مقصد وینزیل سے کیسی- بیکسٹر تک سطح کو دھکیلنے کے لیے نینو پارٹیکلز (مثلاً، نینو SiO) کے ساتھ مناسب کھردری بنانا ہے ۔
4. گیلے پن کی مقدار: معیارات اور جانچ
مرطوبیت کی پیمائش کی جانی چاہئے، کبھی بھی آنکھ سے نہیں ۔ مرکزی دھارے کے معیارات: رابطہ زاویہ کے لئے GB/T 30693/ ISO 19403 ؛ پاؤڈر کے لئے ISO 15989/ ASTM D7334 ؛ جھکاؤ کے مرحلے کے مطابق رول زاویہ ۔ عام بہاؤ: نمونہ 25° C، 50 ٪ RH پر کنڈیشنڈ ؛ مائکرو سرنج 2–5 μL ڈیونائزڈ پانی گراتا ہے (اعلی توانائی کی سطحوں پر منتشر ہونے کے لئے ڈائیوڈو میتھین شامل کریں )؛ کیمرا کاؤنٹر پر قبضہ کرتا ہے، سافٹ ویئر بائیں/دائیں CA اوسط پر فٹ بیٹھتا ہے ۔ رول زاویہ: آہستہ آہستہ جھکاؤ کا مرحلہ، اہم زاویہ ریکارڈ کریں جہاں قطرہ رول کرتا ہے ؛ کوالٹی سپر ہائیڈروفوبک نینو فلمز 5°–15° تک پہنچ جاتی ہیں ۔
5. رابطے کے زاویے کو متاثر کرنے والے حقیقی عوامل
- سطح کی کیمسٹری: کم توانائی والے گروپ (- CF: ≈ 6 mN/m، -CH: ≈ 22 mN/m) θ_Y کی چھت سیٹ کرتے ہیں ۔
- کھردری اور مورفولوجی: نینو/مائیکرو نینودرجہ وار اسٹرکچر وینزیل→ کیسی ٹرانزیشن کو چلاتا ہے ۔
- مائع فطرت: پانی بمقابلہ نمکین پانی بمقابلہ تیل مختلف ہے ؛ کثیر پروب کی ضرورت ہے ۔
- ماحول: درجہ حرارت، نمی جذب شدہ پانی کی فلم کو متاثر کرتی ہے ؛ آلودگی (فنگر پرنٹ، تیل) ہائیڈروفوبیکٹی کو تیزی سے گراتا ہے ۔
- وقت/عمر بڑھنے: UV، رگڑ، تیزاب بارش کے وقفے سے کم توانائی والے گروپ، θ زوال — وقتاً فوقتاً دوبارہ پیمائش کریں ۔
انجینئرز ہائیڈروفوبک کوٹنگز کے لئے ٹرپل میٹرک کے طور پر اکثر "رابطہ زاویہ + رول زاویہ + سڑن وکر" کا استعمال کرتے ہیں ؛ ایک واحد چوٹی کی قیمت گمراہ کرتی ہے ۔
6. دیگر افعال کے ساتھ گیلے پن کو جوڑنا
- سنکنرن: ہائیڈروفوبک سطح پانی/الیکٹرولائٹ کے پھیلاؤ کو سست کرتی ہے ؛ رکاوٹ کی پرت کے ساتھ سنکنرن کو کم کرتی ہے ۔
- اینٹی فولنگ/خود کی صفائی: اعلی θ + کم رول زاویہ پانی سے گندگی کو دور کرنے دیتا ہے ۔
- آسنجن/پرنٹنگ: کوٹنگ/سیاہی کے پھیلاؤ کے لئے اچھی گیلی (کم θ) کی ضرورت ہوتی ہے — ہائیڈروفوبیکٹی ایک رکاوٹ ہے، سطح کی توانائی کو بڑھانے کے لئے پلازما ایکٹیویشن کی ضرورت ہوتی ہے ۔
- اینٹی آئسنگ: سپر ہائیڈروفوبک آئسنگ میں تاخیر کر سکتا ہے لیکن میکانی استحکام کی ضرورت ہوتی ہے ۔
لہذا "اعلی رابطہ زاویہ" عالمگیر طور پر اچھا نہیں ہے — خود کی صفائی ہائیڈروفوبک چاہتی ہے، آسنجن ہائیڈروفیلک چاہتی ہے، سنکنرن ہائیڈروفوبک + رکاوٹ چاہتی ہے ۔ "اس کی اپنی خاطر ہائیڈروفوبک" سے بچنے کے لئے گیلے پن کو سمجھیں ۔
7. پیمائش کے نقصانات اور متحرک CA
نقصان 1: "ایک قطرہ، زاویہ پڑھیں" — غلط ؛ کنٹرول T/RH، توازن، حجم، اوسط ایک سے زیادہ پوائنٹس یا غلطی ±10° عام ہے ۔ نقصان 2: "بڑا زاویہ = کلینر" — غلط ؛ رول زاویہ اور ایئر ٹریپنگ (کیسی) خود صاف کلید ہیں ؛ وینزیل گیلی حالت میں اعلی θ اب بھی گندگی کا پھندا ہے ۔
جامد CA صرف ایک آغاز ہے ؛ ایک حقیقی بوند کے آگے بڑھنے/پیچھے ہٹنے والے زاویے مختلف ہوتے ہیں — ان کا فرق رابطہ زاویہ ہسٹریسس Δθ = θ_A − θ_R ہے ۔ چھوٹا Δθ → آسان رول (اچھا خود صاف )؛ بڑا Δθ → پن، باقیات ۔ حقیقی سپر ہائیڈروفوبک خود کی صفائی "اعلی θ اور کم Δθ" ہے — رپورٹ θ، Δθ اور رول زاویہ ایک ساتھ ۔
8. زسمان کریٹیکل سرفیس ٹینشن
Zisman اہم سطح کشیدگی γ_c: γ_LV بمقابلہ تحقیقات مائعات کی ایک homologous سیریز کے پلاٹ cosθ، cosθ=1 (θ=0) کو extrapolate ؛ اسی γ_LV γ_c ہے. اگر مائع سطح کا تناؤ < γ_c، تو یہ خود بخود اس ٹھوس پر پھیل جاتا ہے ۔ انجینئرنگ: کوٹنگ کے γ_c (فلورینیٹڈ ~18 mN/m، سائلین ~22–24 mN/m، غیر علاج شدہ دھات 40+ mN/m) کو جاننا پیش گوئی کرتا ہے کہ آیا پانی (72 mN/m) پھیلتا ہے — "گیلا کرنے کے قابل ؟" کو ڈیزائن پیرامیٹر میں تبدیل کرتا ہے ۔
عمومی سوالات
سوال: رابطہ زاویہ کیا ہے اور اس سے فرق کیوں پڑتا ہے ؟
ج: یہ جامد بوند کے مائع بخارات اور ٹھوس مائع انٹرفیس کے درمیان زاویہ ہے، جو گیلے/ہائیڈروفوبیسیٹی کی مقدار بتاتا ہے ۔ یہ نینو کوٹنگز کے ہائیڈروفوبک، خود کی صفائی، اینٹی فولنگ اور آسنجن رویے کو ڈیزائن کرنے کی بنیاد ہے ۔
سوال: ینگ مساوات کا احاطہ کیا ہے، اور اسے براہ راست اصلی پینٹ پر کیوں استعمال نہیں کرتے ؟
A: نوجوان مثالی ہموار، یکساں، سخت سطح کا حامل ہے ۔ اصلی کوٹنگز کھردری اور کیمیائی طور پر غیر یکساں ہیں، لہذا بوندوں کا رویہ انحراف کرتا ہے — لہذا وینزیل /کیسی- بیکسٹر ۔ کسی کھردرے رنگ کی سطح پر ینگ اینگل کا استعمال حقیقت کو سنجیدگی سے مسخ کرتا ہے ۔
سوال: وینزیل بمقابلہ کیسی بیکسٹر — کیا فرق ہے ؟
A: Wenzel میں قطرہ مکمل طور پر نالیوں کو بھرتا ہے (گیلا ہوتا ہے): cos θ_W = r·cos θ_Y، جو اندرونی رجحان کو بڑھا دیتا ہے ۔ Cassie - Baxter نیچے ہوا کو پھنساتا ہے (جامع): cos θ_CB = f·cos θ_Y - (1−f)، بہت کم رول زاویہ کے ساتھ 150° سپر ہائیڈروفوبک سے تجاوز کر سکتا ہے ۔ نینو کوٹنگز کا مقصد کیسی ریاست میں دھکیلنا ہے ۔
سوال: کیا کھردرا پن ہائیڈروفیلک کو ہائیڈروفوبک بنا سکتا ہے ؟
جواب: نہیں ۔ وینزیل صرف اندرونی رجحان کو بڑھاوا دیتی ہے: اندرونی طور پر ہائیڈروفوبک (θ_Y > 90 °) کھردری ہونے پر زیادہ ہائیڈروفوبک بن جاتا ہے ؛ اندرونی طور پر ہائیڈروفیلک زیادہ ہائیڈروفیلک بن جاتا ہے ۔ کھردری پن اسے پلٹ نہیں سکتا ۔
سوال: او ڈبلیو آر کے/فوکس سطحی توانائی کے ماڈل کیا پیمائش کرتے ہیں ؟
ج: ٹھوس سطح کی توانائی کی براہ راست پیمائش نہیں کی جا سکتی ؛ معلوم تناؤ کے کئی پروب مائعات کا استعمال کریں، ان کے رابطے کے زاویوں کی پیمائش کریں، اور سطح کی کل توانائی اور اس کے منتشر/قطبی اجزاء کا حساب لگائیں ۔ OWRK (Owens - Wendt - Kaelble - Label) سب سے عام جیومیٹرک- مائن ماڈل ہے، جس میں وضاحت کی گئی ہے کہ "فلوروسلن میں ترمیم ہائیڈروفوبک کیوں ہے "۔