Bagnatura

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Una goccia di un liquido su una foglia la cui bagnatura è sfavorita

La bagnatura o bagnabilità è il processo che porta a contatto un liquido ed una superficie solida. Ciò avviene in presenza di una fase gassosa o di un'altra fase liquida, immiscibile con la prima, descrivibili in termini generali come fluidi. Il sistema è completamente descritto dall'angolo di contatto (θ), definito come l'angolo formato dalla tangente all'interfaccia liquido-fluido, e dalla tangente alla superficie solida, in corrispondenza della linea di contatto tra le tre fasi. Un basso angolo di contatto (θ<90°) descrive una situazione in cui il solido è parzialmente bagnato dal liquido (idrofilicità, nel caso dell'acqua), mentre un elevato angolo di contatto (θ>90°) descrive una situazione in cui il solido è poco bagnato (idrofobicità, nel caso dell'acqua).

Teoria[modifica | modifica wikitesto]

Il bilancio delle forze d'interazione tra un liquido ed un solido governano la forma di una goccia sulla superficie: le forze di adesione tendono ad aumentare l'interazione del liquido con la superficie appiattendo la goccia sulla stessa, al contrario le forze di coesione tendono a diminuire l'interazione generando la forma che minimizza l'interazione superficiale, ovvero la sfera.

L'angolo di contatto (θ), è quello formato tra l'interfaccia liquido-vapore e solido-liquido. È determinato dal bilanciamento delle forze di adesione e coesione. La tendenza di una goccia ad appiattirsi sulla superficie aumenta al diminuire dell'angolo di contatto, perciò l'angolo di contatto è una misura inversa della bagnabilità delle superfici.

Il grado di bagnabilità è dipendente dalla tensione superficiale del liquido e dalle varie energie di interfaccia. L'angolo di contatto è compreso fra 0° (bagnabilità completa o perfetta) e 180° (assenza di bagnabilità). Una bagnatura favorevole corrisponde ad un ridotto angolo di contatto: questo dà luogo ad una situazione in cui il fluido ricopre una grande porzione di superficie. Al contrario, una bagnatura non favorevole si riferisce al caso in cui il liquido, non avendo particolare affinità chimica con l'interfaccia solida, forma su di essa delle gocce compatte, cioè con elevato angolo di contatto. Superfici ad elevata bagnatura vengono genericamente denominate idrofile (con riferimento al fluido più comune, l'acqua), mentre quelle a bassa bagnatura sono dette idrofobe. Se una polvere non è ben bagnata si ha il fenomeno della flottazione: la polvere galleggia alla superficie del liquido a causa dell'aria che rimane aderente alle particelle.

Per modificare favorevolmente le caratteristiche di bagnabilità di una polvere si usano degli agenti bagnanti (tensioattivi) che diminuiscono la tensione interfacciale solido-liquido adsorbendosi con la loro catena idrocarburica (lipofila) sulla superficie idrofobica delle particelle, mentre la loro porzione polare è orientata verso la fase acquosa. Si usa la minima quantità di agente bagnante (0,01 e lo 0,5%). Eccessive quantità porterebbero a formazione di schiuma. I tensioattivi utilizzati presentano valori di HLB fra 7 e 9.

Polimeri idrofili con proprietà viscosanti (es. sodio carbossimetilcellulosa, gomme naturali), possono dare il loro contributo a migliorare la bagnabilità di solidi idrofobi.

Infine si utilizzano alcuni solventi come alcool, glicerolo, glicoli che riducono la tensione interfacciale liquido-aria penetrando negli agglomerati di polvere e spostandone l'aria.

Approfondimento[modifica | modifica wikitesto]

L'equilibrio del processo di bagnabilità a temperatura e pressione costante è raggiunto quando l'energia libera di Gibbs è minima. L'energia libera di Gibbs, G, nel processo di bagnamento è data da:

G=σlfAlfslAslsfAsflfAlf +(σslsf)AslsfAtotale,

dove Alf, Asl e Asf sono l'area di interfaccia liquido-fluido, solido-liquido, e solido-fluido rispettivamente, e Atotale è l'area totale della superficie solida(Atotale=Asl+Asf=costante).

Nel caso di una superficie solida ideale, l'energia di bagnamento di Gibbs, in funzione dell'angolo di contatto geometrico, ha un solo minimo. L'angolo di contatto corrispondente a tale minimo è definito angolo di contatto ideale. Se le tensioni superficiali sono costanti su tutta l'interfaccia, l'angolo di contatto ideale coincide con l'angolo di contatto risultante dall'equazione di Young[1].

Ad ogni modo, come già Gibbs era stato in grado di notare[2], il valore delle tensioni superficiali in prossimità della linea di tripla interfaccia possono discostarsi dai valori delle singole interfacce misurabili lontani dalla linea. Infatti, ciascuna delle tre fasi può influenzare l'interazione tra le altre due nelle immediate vicinanze della linea di contatto. L'effetto maggiore è riscontrabile nell'interazione solido-liquido alla linea di contatto, dove la tensione superficiale di interfaccia è controllata dalla superficie solida (a causa della sua maggiore densità)[3].

Gibbs propose[2] che questa tripla mutua interazione potesse essere descritta dal concetto di tensione di contatto, τ, che è stata successivamente espressa in forma analitica per il sistema solido-liquido-fluido secondo la

cosθi=cosθΥ-τ/rbσl[4].

Un altro metodo per descrivere questo effetto è di considerare σl come funzione della distanza dal solido, piuttosto che come una proprietà costante[5]. Sebbene l'approccio della tensione di contatto sembri più conveniente, i due modelli devono essere in principio equivalenti.

L'ordine di grandezza della tensione di contatto è stato oggetto di dibattito, ma nella letteratura più recente è stato ristretto a 10−9-10−11N. Ciò significa che l'effetto della tensione di contatto è trascurabile per sistemi che abbiano raggio di curvatura dell'ordine dei micrometri. Perciò per i sistemi macroscopici, l'angolo di contatto ideale è praticamente coincidente con l'angolo di contatto definito dall'equazione di Young. Questa equivalenza sarà considerata valida per tutto il resto dell'articolo[6].

Petrofisica[modifica | modifica wikitesto]

Nel campo della petrofisica gli studi sulla bagnabilità della Roccia serbatoio dei giacimenti di idrocarburi rispetto all'acqua di formazione ed agli idrocarburi presenti nella porosità della roccia sono molto importanti per valutare la produttività del giacimento.

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ T. Young, An essay on the cohesion of fluids, Phil. Trans. Roy. Soc, (London) 95, 65-87 (1805).
  2. ^ a b J. W. Gibbs, The scientific papers of J. Willard Gibbs, Vol. 1, 288. Dover Publications, New york (1961).
  3. ^ P. G. de Gennes, Wetting: statics and dynamics. Rev. Mod. Phys. 7, 827-863 (1985).
  4. ^ B. A. Phetica, The contact angle equilibrium, J. Colloid Interface Sci. 62, 567-569 1977).
  5. ^ A. Marmur, Contac angle and thin film equilibrium, J. Colloid Interface Sci. 148, 541-550 (1992).
  6. ^ J. Drelich, The significance and magnitude of the line tension in three-phase (solid-liquid-fluid) systems, Colloids Surfaces A 116, 43-54 (1996).

Bibliografia[modifica | modifica wikitesto]

Bernard Zinzsner, Francois Marie Pellerin, A Geoscientist's guide to petrophysics, Editions Technip, 2007

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