Работа адгезии и когезии
Адгезия – самопроизвольно протекающий процесс, приводящий к уменьшению свободной поверхностной энергии на величину, характеризующую работу адгезии 
, т.е. работу, затраченную на отрыв молекул одной фазы от молекул другой фазы:
. (35)
Рассмотрим субстрат 2 и адгезив 3, находящиеся в воздухе 1 (рис. 22 а).
Работу адгезии определяют в расчете на единицу площади поверхности контакта двух фаз посредством поверхностного натяжения, как удельной свободной поверхностной энергии. Пусть 
и 
– поверхностное натяжение субстрата и адгезива на границе с воздухом соответственно. Тогда суммарная поверхностная энергия системы в начальном состоянии
.
Суммарная поверхностная энергия после нанесения адгезива 3 на субстрат 2 (рис. 22 б) станет равной
,
где 
– поверхностное натяжение на границе раздела субстрата и адгезива.
Изменение поверхностной энергии
.
Тогда согласно (35)
. (36)
Это уравнение выведено Дюпре. Поскольку поверхностное натяжение твердых тел определить экспериментально довольно трудно, уравнение (36) используется только для расчета равновесной работы адгезии жидкости.
Из уравнения Дюпре следует, что работа адгезии тем больше, чем больше поверхностные натяжения субстрата и адгезива и чем меньше конечное межфазное натяжение. Чем больше работа адгезии, тем сильнее сцепление поверхностей двух контактирующих фаз. Если поверхность субстрата имеет шероховатость, то это увеличивает силы адгезионного взаимодействия. При интенсивном взаимодействии частиц субстрата и адгезива молекулы поверхностных слоев проникают в противоположные фазы. В предельном случае граница раздела исчезает.
|
|
|
На практике часто возникают две противоположные задачи: увеличение и снижение адгезии. Повышение сцепления частиц необходимо при склеивании, покрытии поверхностей краской и т.д. Для повышения адгезии необходимо увеличить поверхностное натяжение субстрата на границе с воздухом s21. Это достигается удалением оксидной пленки с окрашиваемой поверхности, обезжириванием склеиваемых поверхностей и т.д. Для понижения адгезии, например, для предотвращения пригорания хлеба нужно, наоборот, снизить s21. Для этого поверхность формы покрывают антипригарным покрытием или смазывают маслом, которое обладает низким поверхностным натяжением.
Определим равновесную работу когезии. После нарушения когезии тела 2 по линии АА (рис. 23 а) образуются две поверхности, соприкасающиеся со средой 1. Равновесная работа когезии будет равна удвоенному значению поверхностного натяжения двух образовавшихся поверхностей
. (37)
Смачивание
Смачивание – один из видов адгезии, который реализуется при взаимодействии жидкости с твердой или более плотной жидкой фазой при наличии одновременного контакта трех несмешивающихся фаз, одна из которых газ (воздух).
|
|
|
Рассмотрим явление смачивания на примере капли жидкости (Ж), нанесенной на поверхность твердого тела (Т). При этом возможны следующие случаи.
1. Капля жидкости самопроизвольно растекается по поверхности, пока не покроет её всю или пока слой жидкости не станет мономолекулярным. Это полное смачивание. Пример: капля воды на обезжиренном стекле (рис. 24 а).
2. Капля жидкости на твердой поверхности самопроизвольно принимает почти сферическую форму. При этом твердая поверхность не смачивается жидкостью, наблюдается полное несмачивание. Пример: капля ртути на неметаллической поверхности (рис. 24 в).
3. Между этими крайними случаями наблюдаются различные промежуточные случаи, когда поверхность частично смачивается жидкостью (рис. 24 б).
Форма капли жидкости на твердой поверхности зависит от соотношения значений межфазовых поверхностных натяжений на границе раздела следующих фаз: твердое тело – газ 
, жидкость – газ 
и твердое тело – жидкость 
. Линию соприкосновения всех трех поверхностей раздела называют линией смачивания. Замкнутая линия смачивания образует периметр смачивания.
|
|
|
Количественной мерой смачивания служит краевой угол смачивания 
– угол между твердой поверхностью и касательной, проведенной к поверхности капли в точке соприкосновения трех фаз. Его измеряют со стороны жидкой фазы (рис. 25).
Установим связь краевого угла смачивания с межфазовыми поверхностными натяжениями. Равновесие капли определяется одновременным воздействием трех поверхностных натяжений, которые на рис. 26 показаны в виде векторов, направленых по касательной к соответствующей поверхности. Два из них ( и ) действуют на поверхности твердого тела в противоположных направлениях. Сила направлена к поверхности под углом .
Используя геометрическое равновесие сил, получаем
.
Решаем уравнение относительно 
– уравнение Юнга. (38)
Проанализируем уравнение Юнга:
1) если 
, 
, 
– поверхность смачивается жидкостью; Капля жидкости растекается, закрывая часть твердой поверхности. За счет этого происходит частичная замена поверхности с большей поверхностной энергией на поверхность с меньшей поверхностной энергией , следовательно, запас энергии в системе уменьшится. С другой стороны, при растекании капли увеличивается площадь поверхности жидкость – газ, что приводит к увеличению свободной энергии системы. Отсюда следует вывод:
|
|
|
если 
, то происходит полное смачивание;
если 
, то жидкость частично смачивает поверхность
2) если 
, 
, 
– поверхность не смачивается жидкостью;
3) чем меньше поверхностное натяжение жидкости на границе с воздухом , тем лучше жидкость смачивает поверхность.
С точки зрения смачивания твердой поверхности водой различают гидрофильные и гидрофобные поверхности. Если для воды , то поверхность гидрофильная, если – гидрофобная. К гидрофильным поверхностям относят высокоэнергетические поверхности (кварц, стекло), которые хорошо смачиваются водой. Воск, парафин, тефлон, фторопласты, полиэтилены, твердые жиры плохо смачиваются водой, т.е. представляют собой гидрофобные поверхности.
Смачивание можно изменять за счет модификации свойств твердых поверхностей путем их гидрофобизации или гидрофилизации и за счет регулирования поверхностного натяжения жидкости. Например, при стирке смачивание ткани увеличивается при добавлении стирального порошка, содержащего ПАВ. Для предотвращения промокания обуви ее покрывают веществом с более низким поверхностным натяжением – кремом для обуви.
Дата добавления: 2015-12-18; просмотров: 22; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!