05 FENOMENA SUDUT KONTAK DAN WETTING
FENOMENA SUDUT
KONTAK DAN WETTING
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)
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
L . cos S SL
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
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:
L . cos S SL
a
Complete Wetting
Kita bisa re-arrange persamaan Young
S SL
cos
L
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
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.
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:
2L cos
h
rC g
Important Wetting Geometries
Contoh
Air dalam pohon naik melalui kapiler yang
disebut xylem, xylem memiliki jari-jari 5170 m dan completely wetted ( = 0).
Berapa tinggi maksimum air dapat naik
dalam sistem kapiler demikian? Jika jarijari kita pilih 5 m, maka:
2.0,072 Nm 1
h
2,9 m
6
2
3
5 x10 m.9,81ms .997 kgm
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.
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
Kerja yang dibutuhkan untuk
memindahkan partikel dari interface liquidgas dapat dihitung dari perubahan energi
bebas Gibbs
Kerja ini penting diketahui dalam aplikasi
mis: flotasi
2
2
G R L .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
akan menentukan sejauhmana liquid penetrasi
kedalam jarak antar serat/fiber
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
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
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
Teknik yang umum digunakan adalah
metode Wilhelmy plate, jika sudut kontak
besar dari nol, gaya yang menarik piringan
ke liquid sebesar 2Llcos
Dimana l adalah lebar piringan
Sudut kontak
beberapa liquid
pada beberapa
padatan pada
25oC
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
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
Tetes advancing di permukaan
padatan dengan tonjolan mikroskopis
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
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
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
Dip and spin coating are two common
techniques to form polymer films on solid
surfaces
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
Gelembung biasanya lebih besar dari partikel
sehingga interface air-udara planar terhadap
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
kotoran-solid (SD) oleh dua interface; kotoranlarutan (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
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
KONTAK DAN WETTING
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)
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
L . cos S SL
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
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:
L . cos S SL
a
Complete Wetting
Kita bisa re-arrange persamaan Young
S SL
cos
L
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
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.
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:
2L cos
h
rC g
Important Wetting Geometries
Contoh
Air dalam pohon naik melalui kapiler yang
disebut xylem, xylem memiliki jari-jari 5170 m dan completely wetted ( = 0).
Berapa tinggi maksimum air dapat naik
dalam sistem kapiler demikian? Jika jarijari kita pilih 5 m, maka:
2.0,072 Nm 1
h
2,9 m
6
2
3
5 x10 m.9,81ms .997 kgm
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.
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
Kerja yang dibutuhkan untuk
memindahkan partikel dari interface liquidgas dapat dihitung dari perubahan energi
bebas Gibbs
Kerja ini penting diketahui dalam aplikasi
mis: flotasi
2
2
G R L .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
akan menentukan sejauhmana liquid penetrasi
kedalam jarak antar serat/fiber
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
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
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
Teknik yang umum digunakan adalah
metode Wilhelmy plate, jika sudut kontak
besar dari nol, gaya yang menarik piringan
ke liquid sebesar 2Llcos
Dimana l adalah lebar piringan
Sudut kontak
beberapa liquid
pada beberapa
padatan pada
25oC
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
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
Tetes advancing di permukaan
padatan dengan tonjolan mikroskopis
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
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
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
Dip and spin coating are two common
techniques to form polymer films on solid
surfaces
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
Gelembung biasanya lebih besar dari partikel
sehingga interface air-udara planar terhadap
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
kotoran-solid (SD) oleh dua interface; kotoranlarutan (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
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