Определение критического натяжения смачивания неполярных полимеров

Цель работы: изучение влияния поверхностного натяжения жидкостей на смачивание твердых тел; определение поверхностного натяжения полимерных материалов и оценка для них работы адгезии.

При печати на полимерных материалах проблема плохой адгезии краски — явление частое. Причина — неполярные вещества на их поверхности, не позволяющие молекулам краски вступать в соединения с молекулами полимера. К тому же в состав технических плёнок зачастую входят примеси (низкомолекулярные фракции полимера, мономеры, скользящие добавки, со временем мигрирующие из массы к поверхности материала), порождённые производственным процессом или наличием специальных, скапливающихся на поверхности добавок.

Экспериментальное определение поверхностного натяжения жидкостей обычно не вызывает затруднений. Достаточно надежных методов определения поверхностного натяжения на границе твердое тело — газ σ_т-г и твердое тело — жидкость σ_т-ж нет, поэтому для оценки их значений используют косвенные методы. Один из таких методов заключается в определении критического поверхностного натяжения смачивания σ_кр. Критическое поверхностное натяжение σ_кр находят по зависимости косинуса краевого угла натекания cosθ_н-т (θ_н-т — статический краевой угол, образующийся при натекании жидкости на твердую поверхность) от поверхностного натяжения жидкости на границе с воздухом σ_ж-г. Для многих твердых (низкоэнергетических) поверхностей при уменьшении поверхностного натяжения смачивающей жидкости косинус краевого угла cosθ_н-т линейно увеличивается. Это позволяет экстраполированием прямой cosθ_н-т = f (σ_ж-г) до пересечения с прямой cosθ_н-т = l, параллельной оси абсцисс, находить значение σ_ж-г. при котором достигается полное смачивание данной твердой поверхности. Полученное значение σ_ж-г является критическим поверхностным натяжением смачивания.

Рис. Краевой угол смачивания

Величина σ_кр практически не зависит от природы и свойств смачивающих жидкостей, и в основном определяется свойствами смачиваемого твердого тела. Можно принять, что σ_кр соответствует его поверхностному натяжению, т. е. σ_кр = σ_т-г. Это положение подтверждается правилом Антонова, согласно которому межфазное натяжение на границе двух несмешивающихся жидкостей равно разности поверхностных натяжений взаимно насыщенных жидкостей на границе их с воздухом. Применительно к взаимодействию жидкости с твердой поверхностью, когда она полностью смачивается, согласно этому правилу получаем:

σ_т-ж = σ_ж-г – σ_т-г (1)

В то же время из уравнения Юнга при условии полного смачивания твердой поверхности (cosθ = 1) имеем:

σ_т-ж = σ_т-г – σ_ж-г (2)

Следовательно, при полном смачивании твердого тела:

σ_т-г = σ_ж-г

и (3)

σ_кр = σ_т-г

Следует отметить, что равенство (3) соблюдается не всегда, поскольку для его выполнения необходимо, чтобы межфазное натяжение σ_т-ж было равно нулю или хотя бы σ_т-г и σ_ж-г значительно превышали значение σ_т-ж. Как правило, это условие реализуется лишь для низкоэнергетических поверхностей, а для высокоэнергетических поверхностей не выполняется. Поэтому для них корреляции между значениями поверхностных натяжений σ_т-г и σ_кр не наблюдается.

Определив критическое поверхностное натяжение смачивания σ_кр, можно также рассчитать работу адгезии W_а. При линейной зависимости cosθ_н-т = f (σ_ж-г) можно записать, что

cosθ_н-т = 1 – b(σ_ж-г – σ_кр) (4)

где b — тангенс угла наклона прямой cosθ_н-т = f (σ_ж-г) к оси абсцисс.

Если твердая поверхность достаточно однородна и практически не имеет шероховатостей, экспериментально измеряемые статические углы θ_н-т близки к равновесным краевым углам θ_р. Поэтому в соответствии с уравнениями W_а = σ_ж-г (1 + cosθ) и (4) имеем:

W_а = σ_ж-г(2 + bσ_кр) – bσ²_ж-г(5)

Уравнение (5) для W_а представляет собой уравнение параболы, вершина которой находится при σ_ж-г = 1/b + 0,5σ_кр. Таким образом, максимальная работа адгезии равна

W_{а макс} = 1/b + σ_кр + 0,25bσ²_кр (6)

Соотношения (5) и (6) хорошо согласуются с экспериментальными данными для многих систем.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Для проведения работы необходимы:

• Установка для измерения краевого угла.

• Справочные данные по поверхностному натяжению жидкостей.

• Полимерные пленки, например, фторопласта, политрифторэтилена или полиэтилена.

• Жидкости с различным поверхностным натяжением.

Определяют краевые углы θ_н-т при смачивании полимера чистыми жидкостями с различным поверхностным натяжением. Измерения краевых углов можно начинать через несколько минут после нанесения капли жидкости. Краевой угол для каждой жидкости измеряют три раза и значение θ_н-т находят как среднее арифметическое.

Значения поверхностного натяжения исследуемых жидкостей берут из справочных данных.

На основе полученных данных строят зависимость cosθ_н-т = f (σ_ж-г) и экстраполяцией прямой до cosθ_н-т = 1 определяют σ_кр. По формуле (5) рассчитывают значения работы адгезии W _а между полимером и исследуемыми жидкостями и строят кривую W_а = f (σ_ж-г).

Таблица 3. Удельная свободная поверхностная энергия полимеров γSV и

работа адгезии Wa воды к поверхности полимеров при 20оС; γd и γp – дисперсионная и полярная составляющие γSV

полимер	γSV, мДж/м2	γd, мДж/м2 SV	γp, мДж/м2 SV	Wa, мДж/м2
тефлон
полиэтилен
полипропилен
полистирол
полипропиленкетон
полиэтиленкетон
полиэтилентерефталат

Таблица III.5. Критические поверхностные натяжения полимеров при 20ºС

Полимер	Мономер	σ_кр, мДж/м²
Поливинилиденхлорид	C₂H₂Cl₂
Поливинилхлорид	C₂H₃Cl
Полиэтилен	C₂H₄
Поливинилфторид	C₂H₃F
Поливинилиденфторид	C₂H₂F₂
Политрифторэтилен	C₂HF₃
Политетрафторэтилен (тефлон)	C₂F₄

Дата добавления: 2015-12-21; просмотров: 80; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!