Адгезия и смачивание
Адгезия (прилипание, сцепление, слипание) – поверхностное явление, заключающееся во взаимодействии частиц поверхностных слоев двух конденсированных фаз.
Возможны три случая адгезии: адгезия между двумя жидкостями (ж-ж), между жидкостью и твердым телом (т-ж), между твердыми телами (т-т).
С адгезией сталкиваемся повсеместно: при покрытии различных поверхностей лаком и краской, склеивании материалов и т.д.
Адгезия бывает положительной (полезной) и отрицательной.
Хорошая адгезия лакокрасочных покрытий определяет эксплуатационные и потребительские качества этих покрытий. Эффективность инсектицидных препаратов, применяемых для борьбы с сельскохозяйственными вредителями, во многом определяется адгезией капель или частиц этих препаратов к листьям растений. Здесь адгезия играет положительную роль.
Адгезия грунта к лемеху плуга при вспашке требует дополнительных тяговых усилий, а, следовательно, и дополнительных затрат. Это отрицательная адгезия.
В пищевой промышленности отрицательная адгезия связана с прилипанием пищевых масс (тесто, сгущенное молоко, сметана и т.п.) к стенкам оборудования, что обусловливает производственные потери.
Еще одно отрицательное проявление адгезии – аутогезия (комкование). Например, аутогезия частиц сухого молока, кофе.
Количественно адгезию характеризуют величиной работы адгезии Wадг, т.е. работой, затраченной на отрыв молекул одной фазы от молекул другой фазы.
| |
| |
Задача: количественно описать работу адгезии.
 |
Определения и обозначения.
Субстрат (подложка) 2 – поверхность, на которую наносится вещество, наносимое вещество – адгезив 3.
Субстрат и адгезив находятся в воздухе 1.
Пусть s21 и s31 –поверхностное натяжение субстрата и адгезива на границе с воздухом соответственно.
Gпов = sS,
где S – площадь поверхности.
Рассмотрим единицу площади поверхности субстрата и адгезива. Тогда суммарная поверхностная энергия системы в исходном состоянии
.
| |
| |
Совместим поверхности субстрата и адгезива (нанесем фазу 3 на фазу 2). Суммарная поверхностная энергия при этом станет равной
,
где s23 – поверхностное натяжение на границе раздела субстрата и адгезива.
Изменение поверхностной энергии
.
С точки зрения термодинамики для равновесного обратимого процесса
.
Тогда
.
Это уравнение впервые вывел Дюпре. Из уравнения Дюпре следует, что работа адгезии тем больше, чем больше поверхностные натяжения субстрата и адгезива и чем меньше конечное межфазное натяжение.
При интенсивном взаимодействии частиц субстрата и адгезива молекулы поверхностных слоев проникают в противоположные фазы. В предельном случае исчезает граница раздела.
Если поверхность субстрата имеет шероховатость, то это увеличивает силы адгезионного взаимодействия.
Частный случай адгезии – смачивание.
Смачивание – взаимодействие 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, нанесенной на поверхность твердого тела. При этом возможны следующие случаи.
1 случай. Капля жидкости самопроизвольно растекается на поверхности, пока не покроет всю поверхность или пока слой жидкости не станет мономолекулярным. Это полное смачивание. Пример: капля воды на обезжиренном стекле.
2 случай. Капля жидкости на твердой поверхности самопроизвольно принимает почти сферическую форму. В этом случае говорят, что твердая поверхность не смачивается жидкостью, наблюдается полное несмачивание. Пример: капля ртути на неметаллической поверхности.
Между этими крайними случаями наблюдаются различные промежуточные случаи, когда поверхность частично смачивается жидкостью.
Количественной мерой смачивания служит краевой угол смачивания Q – угол между твердой поверхностью и касательной, проведенной к поверхности капли в точке соприкосновения трех фаз. Его измеряют со стороны жидкой фазы.
|
|
|
|
|
|
Линия пересечения всех трех поверхностей раздела называется линией смачивания. Замкнутая линия смачивания образует периметр смачивания.
Задача: найти зависимость угла смачивания от поверхностного натяжения фаз.
Периметр смачивания является границей взаимодействия трех фаз – воздуха 1, твердого тела 2 и жидкости 3. Эти фазы имеют разграничивающие их поверхности: поверхность жидкость – газ с поверхностным натяжением s31, поверхность твердон тело –
газ с поверхностным натяжением s21 и поверхность твердое тело – жидкость с поверхностным натяжением s23.
Равновесие капли определяется одновременным воздействием этих трех поверхностных натяжений, которые на рисунке показаны в виде векторов (направлены по касательной к соответствующей поверхности). Два из них (s21 и s23) действуют на поверхности твердого тела в противоположных направлениях. Сила s31 направлена к поверхности под углом Q.
Используя геометрическое равновесие сил, получим уравнение Юнга. При равновесии справедливо соотношение
s21 = s23 + s31cos Q,
– уравнение Юнга.
Из уравнения Юнга следует, что смачивание зависит от поверхностного натяжения соприкасающихся фаз:
1) s21 > s23, cos Q > 0, Q < 90 ° – если поверхностная энергия фазы, на которую наносится жидкость больше поверхностной энергии на границе раздела фаз 2 и 3, поверхность смачивается жидкостью;
2) s21 < s23, cos Q < 0, Q > 90 ° – в данном случае поверхность не смачивается;
3) чем меньше поверхностное натяжение жидкости на границе с воздухом s31, тем жидкость лучше смачивает поверхность.
Все жидкости по способности смачивать поверхность можно разделить на 3 класса:
1) вода – полярная жидкость, при t = 20 °С s = 7,2×10-2 Дж/м2 – высокоэнергетические поверхности (с большим s21) вода смачивает хорошо, низкоэнергетические – плохо;
2) органические растворители, s = (1,8-30)×10-2 Дж/м2 – обладают хорошей смачиваемой способностью;
3) ртуть Hg, s = 46×10-2 Дж/м2 – не смачивает поверхность за исключением случаев, когда идет химическое взаимодействие.
Вопрос для размышления: Как увеличить и как уменьшить смачиваемость поверхности (например, обуви)?