к списку лекций
1.Межфазные взаимодействия между конденсированными фазами.
2.Адгезия.
3.Смачивание.
4.Растекание.
К межфазным взаимодействиям между конденсированными фазами относятся смачивание, растекание и адгезия.
Как правило, адгезия и смачивание сопровождают друг друга. Эти явления широко распространены в природе и в различных отраслях промышленности (нанесение лакокрасочных покрытий, получение материалов на основе связующих и наполнителей - бетон, резина и т. д.)
Адгезия - межфазное взаимодействие, или взаимодействие между приведёнными в контакт поверхностями конденсированных тел разной природы (прилипание). Адгезия обеспечивает между двумя телами соединение определенной прочности, обусловленное межмолекулярными силами.
Адгезия между - ж/ж, ж/т, т/т.
Адгезия - результат стремления системы к уменьшению поверхностной энергии, поэтому это самопроизвольный процесс. Работа адгезии Wa, характеризующая прочность адгезионной связи, определяется работой обратного разрыва адгезионной связи, отнесённой к единице площади:
Ws = WаS, где Ws - полная работа адгезии (4.1)
Wa = [Дж/м2]
Предположим, что имеется контакт между 3 фазами - 1 - газ, 2 -жидкость, 3 - твердое тело, 2, 3 - конденсированные фазы. Введем следующие обозначения поверхностных натяжений:
s2,3 - поверхностное натяжение на границе раздела двух конденсированных фаз
s2,1 и s3,1 - поверхностное натяжение на границе с воздухом
Wa = s2,1 + s3,1 - s2,3 - уравнение Дюпре (4.2)
Уравнение Дюпре отражает закон сохранения энергии при адгезии. Из него следует, что работа адгезии тем больше, чем больше поверхностные натяжения исходных компонентов и чем меньше конечное межфазное натяжение.
Уравнение 4.2 справедливо только для изобарно-изотермического процесса в отсутствии электрического и химического взаимодействия между контактирующими телами, его используют только для определения равновесной работы адгезии жидкости.
Равновесную работу адгезии можно сопоставить с равновесной работой когезии. Когезия - определяет связь между молекулами внутри тела и в пределах одной фазы, характеризует прочность конденсированных тел и их способность противодействовать внешнему усилию.
Первая стадия - транспортная, перемещение адгезива (клеящего вещества) к поверхности субстрата (тело, на которое наносят адгезив) и их определенное ориентирование в межфазном слое.
Вторая стадия - взаимодействие адгезива и субстрата, обусловлено различными силами (от ван-дер-ваальсовых до химических).
Завершается процесс адгезии межмолекулярным взаимодействием контактирующих фаз, что соответствует минимальной поверхностной энергии. Различают несколько механизмов (и, соответственно, теорий) в зависимости от природы взаимодействующих тел и условий, при которых происходит адгезия.
1.Механическая адгезия - осуществляется путем затекания в поры и трещины поверхности твердого тела жидкого адгезива., который потом затвердевает, обеспечивая механическое зацепление.
2.Молекулярная (адсорбционная) адгезия - возникает под действием межмолекулярных ван-дер-ваальсовых сил и водородных связей.
3.Электрическая теория - связана с образованием ДЭС на границе раздела между адгезивом и субстратом.
4.Диффузионный механизм - предусматривает взаимное проникновение молекул и атомов в поверхностные слои взаимодействующих фаз.
Чаще всего механизм адгезии является смешанным.
Теоретическая оценка адгезии очень приближённа, т. е., механизм её недостаточно изучен.
Смачивание - это поверхностное явление, заключающееся во взаимодействии жидкости с твёрдым или другим жидким телом при наличии контакта трех несмачивающихся фаз, одна из которых воздух.
Степень смачивания количественно характеризуется косинусом краевого угла (угла смачивания) или просто краевым углом (углом смачивания).
Рис.4.2. К выводу уравнения для краевого угла (закон Юнга).
Рис.4.2. иллюстрирует состояние капли жидкости на поверхности твердого тела в условиях равновесия. Поверхностная энергия твердого тела, стремясь уменьшиться, вызывает растяжение капли по поверхности. Эта энергия равна поверхностному натяжению твердого тела на границе с воздухом s3,1.Межфазная энергия на границе твердого тела с жидкостью s2,3 стремится сжать каплю. Растеканию препятствуют когезионные силы, действующие внутри капли. Действие когезионных сил направлено от границы между твердой, жидкой и газообразной фазами по касательной к сферической поверхности капли и равно s2,1.Угол q - краевой угол или угол смачивания.
s3,1 = s2,3 + s2,1cos(q) - з-н Юнга (4.3)
cos(q) = (s3,1-s2,3)/s2,1 (4.4)
Чем меньше краевой угол , тем лучше смачивание поверхности.
Если cos(q)>0 , то поверхность хорошо смачиваемая, cos(q)<0 - плохо смачиваемая.
Если разность s3,1 - s2,3 в уравнении Дюпре заменить её выражением из закона Юнга, то
Wa = s2,1 + s2,1cos(q)
Wa/s2,1 = 1+ cos(q) - уравнение Дюпре-Юнга (4.5)
4.3, 4.4, 4.5 - только для идеально гладких тел. На поверхности реальных тел есть поры, трещины, и т. д.
Рассмотрим кинетический катерезис, который замедляет достижение равновесной формы капли.
Рис.4.3.Статические углы натекания и оттекания.
Для реальных тел: равновесный угол смачивания равен полусумме предельных углов натекания и оттекания:
cos(q) = (cos(qнт) + сos(qот))/2 (4.6)
Влияние шероховатости на кривой угол:
k = cos(qш)/cos(q) , где к - коэфф. шероховатости
При повышении степени шероховатости смачиваемость улучшается.
Капля жидкости, нанесенная на поверхность, может оставаться на ее определенном участке, и система будет находится в равновесии в соответствии с законом Юнга, или же растекаться по поверхности. В обоих случаях система переходит в состояние с минимальной энергией Гиббса.
Условие растекания:
s3,1 > s2,3 + s2,1 (4.7)
Из этого соотношения следует, что уменьшение межфазного натяжения s2,3 (увеличение работы адгезии) и поверхностного натяжения жидкости s2,1, способствует растеканию жидкости.
Растекание происходит в том случае, если работа адгезии превышает работу когезии.
Способность жидкости растекаться зависит от когезии наносимых на поверхность жидкостей.
С повышением температуры увеличивается работа адгезии, поэтому нерастекающаяся жидкость с увеличением температуры может начать растекаться.