Поэтому смачивание является необходимым условием формирования защитно-декоративных покрытий.
Смачивание можно рассматривать как проявление взаимодействия на границе разнородных фаз: твердое тело-жидкость-газ – контактное смачивание. Смачивание зависит от характера сил, действующих между молекулами поверхностных слоев соприкасающихся сред.
В кинетическом режиме смачивание представляется как растекание жидкостей по твердой поверхности.
Смачивание – явление, происходящее в результате взаимодействия молекул жидкости с молекулами твердых тел и приводящее к искривлению поверхности жидкости у поверхности твердого тела.
Условия смачивания и растекания жидкости по поверхности твердого тела определяются действующими в них когезионными и адгезионными силами и свободной энергией поверхностей твердофазной системы: Т-Ж-Г
Смачивание и растекание – самопроизвольные процессы, происходящие за счет уменьшения свободной поверхностной энергии Гиббса системы.
Численно смачивание характеризуется краевым углом смачивания θ0
При нанесении небольшого количества жидкости, например, капли, на поверхность другой жидкости, имеющей большую плотность, или на твердую поверхность, можно наблюдать два процесса, если приводимые в контакт вещества взаимнонерастворимы. В одном случае нанесенная жидкость остается на поверхности другой фазы в виде капли, принявшей при установившемся равновесии определенную форму. В другом случае капля растекается.
|
|
|
На слайде № показана капля жидкости ан поверхности твердого тела.
Поверхностная энергия твердого тела, стремясь уменьшиться, вызывает растекание капли по поверхности. Эта энергия равна поверхностному натяжению твердого тела на границе с воздухом (σт.г.). Межфазная энергия на границе твердого тела с жидкостью (σт.ж.) стремится наоборот сжать каплю, т.е. поверхностная энергия снижается за счет снижения площади поверхности. Растеканию капли препятствуют когезионные силы, действующие внутри капли. Действие когезионных сил направленно от границы раздела фаз по касательной к межфазным поверхностям, ограничивающим смачивающую жидкость, которое имеет вершину на линии раздела трех фаз, называется краевым углом смачивания.
Условием равновесия системы является равенство нулю суммы проекции сил поверхностного натяжения на направление касательной к поверхности твердого тела (слайд), т.е.
-σт.г. + σт.ж. + σж.г. cos θ0 = 0
σт.г. = σт.ж. + σж.г. cos θ0 (1)
Растекание жидкости по поверхности твердого тела (Условие растекания жидкости по поверхности твердого тела) может быть тогда, когда
σт.г. > σт.ж. + σж.г. cos θ0, (2)
т.е. растекание улучшается с повышением σт.г. и понижением σт.ж. и σж.г.. ( слайд)
|
|
|
:
cos θ0= (σт.г. - σт.ж.) / σж.г. (3)
180о > θ0 > 90о – плохое смачивание (несмачивание) – вода на парафине
90о > θ0 > 0о – ограниченное смачивание –- вода на стекле
Значение θ0 является необходимым, но еще не достаточным показателем, характеризующим смачивание и адгезию жидкости с подложкой
Хорошее смачивание и растекание ЛКМ требуется во многих отделочных работах, т.к. оно необходимо для успешного заполнения пор. Смачивание можно изменять химическими и физическими средствами, чего обычно добиваются снижением поверхностного натяжения ЛКМ за счет повышения Т-ры или введения растворителей, ПАВ, смачивателей.
Поверхностное натяжение многокомпонентных систем является поверхностной активностью входящих в их состав жидких компонентов. Краски, изготовленные с применением растительных масел имеют невысокое поверхностное натяжение на границе с воздухом (25-35 мДж/м2). Поэтому они хорошо смачивают самые различные поверхности.
Среди олигомерных пленкообразователей поверхностная активность уменьшается в ряду:
Алкидные< Полиэфирные< Эпоксидные< Фенолформальдегидные< Мочевиноформальдегидные.
Поверхностное натяжение лаков и красок, представляющих собой растворы полимеров, во многом определяется природой растворителей. Для большинства наиболее употребительных растворителей (ароматических и алифатических углеводородов, сложных эфиров, спиртов, кетонов) σ=22-36 мДж/м2.
|
|
|
С увеличением содержания растворителей поверхностное натяжение лаков и красок, как правило, уменьшается, причем тем значительнее, чем меньше поверхностное натяжение взятых растворителей. Соотношение значения поверхностного натяжения пленкообразователя и растворителя играет важную роль в процессах формирования покрытий их растворами.
Наиболее высокие значения поверхностного натяжения имеют краски, в которых растворителем или дисперсной средой служит вода, т.к. для воды σ = 72,7 мДж/м2. Такие краски неудовлетворительно смачивают гидрофобные и плохо обезжиренные поверхности. Для уменьшения поверхностного натяжения в состав водоразбавляемых красок вводят спирты, а в вододисперсионных – ПАВ. Присутствие неионогенных ПАВ благоприятно сказывается и на поверхностной активности неводных красок. Пав позволяют одновременно регулировать и другие свойства красок: реологические, электрические (способность заряжаться в электрополе), стабильность (отсутствие расслоения) при хранении.
|
|
|
- Связь работы адгезии с краевым углом
(слайд)
Адгезия – связь между жидкой и твердой фаз на границе раздела.
А оценивают работой, которую надо затратить для отрыва жидкости от поверхности твердого тела.
Когезия – это связь между молекулами в объеме жидкой фазы.
Адгезия – результат стремления системы к уменьшению поверхностной энергии ® адгезия – самопроизвольный процесс.
Работа адгезии Wа характеризует прочность адгезионной связи (мДж/м2)
Полная работа адгезии, приходящаяся на всю площадь контакта тел S, равна
Ws = Wа × S (4)
Для того, чтобы получить соотношение между работой адгезии и поверхностными натяжениями взаимодействующих компонентов, примем их площади единичными.
При совмещении адгезива и субстрата поверхностная энергия Гиббса системы уменьшится на величину, равную работе адгезии
DG + Wa = 0 или Wa= -DG (5)
где DG – изменение поверхностной энергии Гиббса системы
Для начального и конечного состояния системы имеем:
Gнач= σт.г. + σж.г. и Gкон= σт.ж.
DG = Gкон – Gнач = σт.ж. - σт.г. - σж.г.
Wa = σт.г. + σж.г. - σт.ж. - уравнение Дюпре (6)
Уравнение Дюпре отражает закон сохранения энергии при адгезии - работа адгезии тем больше, чем больше поверхностное натяжение контактирующих фаз и чем меньше конечное межфазное состояние.
Wа = σт.г. + σж.г. - σт.ж.
σт.г. = σт.ж. + σж.г. cos θ0
Wа = σт.ж. + σж.г. cos θ0 + σж.г. - σт.ж.
Wа = σж.г. (1+ cos θ0) (7)
Уравнение Дюпре-Юнга –
связывает Wа с θ0, позволяет рассчитать Wа, если известны σж-г и θ0.
Чем меньше θ0, тем больше Wа жидкости к твердому телу и лучшее растекание.
При θ0= 0 cos θ0=1, Wа = 2 σж-г,
т.е. адгезия жидкости к твердому тел равна когезии жидкости
Wк= 2 σж-г (8)
Если из уравнения (7) выразить cos θ0,
то cos θ0 = (Wа/ σж.г.) – 1 (9)
Из(8) σж.г.= W к/2 (10)
Wа/Wк = (1 + cos θ0)/2 (11)
cos θ0= (2 Wа/Wк) -1 = (2 Wа- W к)/ W к (12)
Так как смачивание характеризуется количественно cos θ0, то в соответствии с уравнениями (11, 12) оно определяется отношением работы адгезии к работе когезии.
(слайд)Условия:
Несмачивание
Wа < ½ Wк
(при Wа = ½ W к, θ0= 90о, cos θ0 = 0)
Смачивание
Wа > ½ Wк
(при Wа = ½ W к, θ0= 90о, cos θ0 = 0)
Полное смачивание
Wа > Wк
(при Wа = Wк, θ0= 0о, cos θ0 = 1)
cos θ0 = (Wа/ σж.г.) – 1 (слайд)
Wа/Wк = (1 + cos θ0)/2
Из этих уравнений следует, что для улучшения смачивания надо увеличить работу адгезии или уменьшить работу когезии (поверхностное натяжение лакокрасочного материала). Адгезия в значительной степени определяется природой функциональных групп молекул контактирующих веществ.
Поверхностные явления, протекающие на стадии формирования адгезионного контакта, оказывают определяющее влияние на адгезионные свойства получаемых покрытий. В процессе отверждения жидкий слой лакокрасочного покрытия переходит в твердое состояние, что означает качественное изменение агрегатного состояния адгезионной системы подложка-покрытие.
В этом случае уравнение Дюпре имеет вид Wа = σт1.г. + σт2.г. – σт1.т2,
где σт1.г. – поверхностное натяжение подложки;
σт2.г. – поверхностное натяжение лакокрасочного покрытия;
σ т1.т2 – поверхностное натяжение на границе раздела покрытие-подложка.
В данное уравнение две новые величины σт2.г. σт1.т2., это в конечном итоге является причиной несовпадения работы адгезии жидкого ЛКМ и отвержденного покрытия. В большинстве случаев адгезия покрытия возрастает с увеличением работы адгезии жидкого материала. Поэтому в случае хорошего смачивания поверхности подложки ЛКМ-ом, высокой работы адгезии получаются ЛКП с высокой адгезионной прочностью.
Дата добавления: 2015-12-21; просмотров: 288; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!