Смачивание поверхностей на воздухе

⇐ ПредыдущаяСтр 6 из 10Следующая ⇒

Форма капли жидкого лакокрасочного материала с краевым углом q, помещенной на твердую горизонтальную поверхность в воздушной среде, будет обусловлена совокупностью действующих сил в виде поверхностных натяжений на границе раздела фаз твердое тело - газ s_тг, твердое тело - жидкость s_тж и жидкость - газ s_жг.

Рассмотрим три случая:

1) полное смачивание - угол q равен нулю или близок к нему, жидкость свободно растекается по поверхности твердого тела (рис. 5.3, а);

2) неполное смачивание 0 <q< 90°, капля жидкости имеет форму шарового сегмента (рис.5.3, б);

3) несмачивание- угол q превышает 90°, жидкость стремиться уйти с поверхности или собраться в сферическую каплю (рис. 5.3, в).

Взаимосвязь смачивающих свойств жидкости с краевым углом описывается уравнением Юнга

s_тг-s_тж = s_жг×cosq (5.3)

Чтобы удалить каплю с поверхности необходимо затратить работу W:

W = W_a·w_тж, (5.4)

где W_a- работа адгезии;

w_тж- площадь поверхности контакта жидкости с твердым телом.

Работа адгезии может быть определена как разность между (s_жг + s_тг) и поверхностным натяжением s_тж и с учетом уравнения (2.3) выражена следующим уравнением:

W_a = s_жг + s_тг-s_тж = s_жг (1+ cosq), (5.5)

где s_жг×cosq- энергия смачивания или адгезионное напряжение.

Работа адгезии тем больше, чем сильнее взаимодействие контактирующих фаз. В связи с тем, что смачивание связано с адсорбцией части жидкости на поверхности твердого тела, которая не может быть удалена, величина определяемой работы адгезии обычно меньше на величину p

W_a = s_жг (1+ cosq) -p. (5.6)

Значения p (доля адсорбционной составляющей работы адгезии) для разных лакокрасочных материалов и подложек составляют от долей процентов до нескольких процентов.

Адсорбционное взаимодействие благоприятствует смачиванию и растеканию жидкостей, краевой угол смачивания при этом уменьшается. Смачивание сопровождается выделением теплоты - 10^-³- 10^-⁵ кДж/см².

Для характеристики смачивания Х. Д. Шенборн ввел коэффициент растекания S - разность между работой адгезии и работой когезииW_к, численно равной 2s_жг:

S = W_а- W_к = W_а- 2s_жг = s_жг (cosq- 1) (5.7)

При полном смачивании S® 0. Причем, чем меньше работа когезии жидкости, тем легче эта жидкость смачивает различные твердые тела. Так, неполярные жидкости (алифатические и ароматические углеводороды), имеющие поверхностное натяжение » 20 мДж/м², и содержащие их краски удовлетворительно смачивают большинство твердых тел различной природы, а жидкости с высоким поверхностным натяжением (вода, водные краски) не смачивают многие тела.

Высокоэнергетические поверхности смачиваются легче, чем низкоэнергетические, причем работа адгезии при этом также выше. Например, если наносить водные растворы пленкообразователей на полистирол (s_кр = 33 мДж/м²) и олово (s_кр = 540 мДж/м²) работа адгезии равна 72 и 312 мДж/м² соответственно.

Шероховатость поверхности также влияет на смачивание: в случае гидрофильных тел (q уменьшается) - положительно, а в случае гидрофобных - отрицательно.

При нанесении высоковязких растворов и расплавов полимеров процессы растекания усложняются. Угол q в этих случаях близок к 90° и часто кажется, что жидкость плохо смачивает поверхность. Но здесь не учитывается тот факт, что равновесное состояние краевого угла в таких системах устанавливается медленно, часто в течение нескольких суток, и угол, образующийся при растекании, может легко изменяться под влиянием механических воздействий. Растеканию в вязком режиме, как и оттеканию (восстановлению принудительно деформированной капли в первоначальное состояние) противодействует механическая сила f - усилие деформации образца. Устанавливается не истинное термодинамическое равновесие, а ложное, заторможенное:

s_тг-s_тж = s_жг·cosq + f₀ (5.8)

Из уравнения 5.8 видно, что если сила f велика, то растекания не происходит, даже несмотря на его энергетическую выгодность. В этой связи для улучшения растекания часто снижают вязкость лакокрасочных материалов.

Часто при нанесении водных красок на плохо обезжиренные поверхности и изделия, покрытые предварительно масляными красками, гидрофобные поверхности пластмасс и др. Наблюдается «сбегание» - собирание краски в отдельные островки и капли. Это является признаком плохого смачивания. Влажные поверхности не смачиваются гидрофобными красками.

Следствием плохого смачивания и растекания красок на поверхности может быть повышенная пористость покрытий, «шагрень» (волнистость) при нанесении жидких красок распылением и при сплавлении порошковых красок.

Эффект смачивания очень важен при производстве печатной продукции, а также при нанесении красок валковым методом и электроосаждением. Улучшить смачивание и растекание можно регулированием поверхностного натяжения, степени гидрофильности или гидрофобности лакокрасочного материала, а также изменением свойств подложки или того и другого. Так, благоприятно сказывается на смачивание поверхностей присутствие свободных жирных кислот в масляных и алкидных красках, введение в состав красок умеренно полярных растворителей (бутиловый спирт, этилцеллозольв, метилэтилкетон, циклогексанон, сольвент), тщательное обезжиривание поверхности. Смачивание также улучшается при нанесении красок в подогретом состоянии.

Адгезия

Адгезия лакокрасочных покрытий - это явление, заключающееся в установлении связи между пленкой и подложкой, на которую она нанесена.

Адгезионная прочность- это работа, которую необходимо затратить на разрушение адгезионной связи.

Аутогезия или самослипание- это сцепление между слоями однородных материалов. Проявляется в многослойных покрытиях, наносимых из одного или одинакового по природе лакокрасочного материала.

Различают два типа адгезии:

1) специфическую или собственно адгезию, характеризующую прочность сцепления адгезива с субстратом;

2) механическую, обусловленную проникновением адгезива (впитыванием) в поры субстрата.

Этот вид адгезии имеет место при использовании пористых подложек (бумага, ткани, древесина), являясь результатом действия чисто механических (когезионных) сил.

Адгезия является важнейшим свойством лакокрасочных покрытий, от которого зависят многие эксплуатационные характеристики, в том числе долговечность и защитная способность.

Природа адгезионных связей

Работа адгезии (W_а) выражается уравнением:

(6.11)

где - средняя энергия единицы связи;

N- число связей, приходящееся на единицу поверхности адгезионного контакта.

Т. е. адгезионная прочность покрытий зависит от характера адгезионных связей и их плотности. Между разнородными телами могут возникать различные по природе связи:

1) химические (ионная, ковалентная, координационная), их энергия от 65 до 1000 кДж/моль;

2) водородные (энергия не >50 кДж/моль);

3) ван-дер-ваальсовы (индукционные, дисперсионные, дипольные и др.), их энергия не превышает 50 кДж/моль.

При нанесении жидкого лакокрасочного материала на подложку взаимодействие между ними устанавливается уже в момент контакта. Однако значения работы адгезии жидкого лакокрасочного материала и покрытия не равны между собой. При формировании покрытия изменяются химический состав, структура и свойства исходного материала, происходят конформационные перестройки макромолекул, возможны активация поверхности подложки и появление напряжений в контактном слое. То есть в процессе получения покрытия и в процессе его эксплуатации первоначально установившиеся связи могут сохраняться, разрушаться или дополняться новыми.

Молекулярное взаимодействие

При контакте адгезива и субстрата возможно проявление действия молекулярных сил:

- притяжения;

- отталкивания;

- дисперсионного взаимодействия.

Результат такого взаимодействия - адсорбция молекул адгезива на поверхности субстрата. Причем, первая стадия адсорбции - миграция молекул адгезива к твердой поверхности и их ориентация по отношению к полярным группам, которые имеются на ней; вторая стадия - установление адсорбционного равновесия, которое возможно в случае, если расстояние между молекулами будет меньше предела дальнодействия молекулярных сил, т. е. 0,5 нм.

Адсорбция может иметь физический или химический характер в зависимости от действующих сил. Причем, образующийся граничный слой на межфазной границе полимера по структуре и свойствам отличается от свойств полимера в объеме. Толщина граничных слоев может колебаться от десятых долей нанометра до нескольких микрометров в зависимости от условий протекания адсорбции (из раствора, расплава, газовой фазы), свойств полимера и подложки. Причем, по мере увеличения толщины структурные и физические характеристики слоя изменяются не монотонно, как считает академик Ю. С. Липатов, строение и структура граничных слоев являются определяющими в межфазном взаимодействии и соответственно влияют на адгезию полимеров к твердым субстратам.

Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 450; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 567 8 9 10 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!