Что называют адгезией и смачиванием
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.
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 Aадг, т.е. работой, затраченной на отрыв молекул одной фазы от молекул другой фазы.
Субстрат (подложка) 2 – поверхность, на которую наносится вещество, наносимое вещество – адгезив 3.
Субстрат и адгезив находятся в воздухе 1(рис. 5).
Пусть s21 и s31 –поверхностное натяжение субстрата и адгезива на границе с воздухом соответственно.
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) (рис. 6). 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
.
.
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.
Смачивание– частный случай адгезии – 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.
Полное смачивание.Капля жидкости самопроизвольно растекается на поверхности, пока не покроет всю поверхность или пока слой жидкости не станет мономолекулярным. Пример: капля воды на обезжиренном стекле.
Полное несмачивание. Капля жидкости на твердой поверхности самопроизвольно принимает почти сферическую форму. 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 (рис. 7).
Если Q 90° – поверхность смачивается плохо или совсем не смачивается.
Линия пересечения всех трех поверхностей раздела называется линией смачивания. Замкнутая линия смачивания образует периметр смачивания.
Угол смачивания зависит 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 sж-г, поверхность твердое тело –
газ с поверхностным натяжением sт-г и поверхность твердое тело – жидкость с поверхностным натяжением sт-ж (рис. 8).
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 (sт-г и sт-ж) действуют на поверхности твердого тела в противоположных направлениях. Сила sж-г направлена к поверхности под углом Q.
При равновесии справедливо соотношение
– уравнение Юнга.
Из уравнения Юнга следует, что смачивание зависит от поверхностного натяжения соприкасающихся фаз:
1) sт-г > sт-ж, cos Q > 0, Q 90° – в данном случае поверхность плохо смачивается жидкостью;
3) чем меньше поверхностное натяжение жидкости на границе с воздухом sж-г, тем жидкость лучше смачивает поверхность.
Все жидкости по способности смачивать поверхность можно разделить на 3 группы:
Адгезию жидкости и смачивание можно изменять за счет модификации свойств твердых поверхностей путем их гидрофобизации или гидрофилизации и за счет регулирования поверхностного натяжения жидкости.
Вопрос. Как увеличить и уменьшить смачивание поверхности?
Адгезия, смачивание и растекание жидкостей
Адгезия, смачивание и растекание относятся к межфазным взаимодействиям, которые происходят между конденсированными фазами.
Адгезия. Межфазное взаимодействие, или взаимодействие между приведёнными в контакт поверхностями конденсированных тел разной природы, называют адгезией (прилипанием). Адгезия обеспечивает между двумя телами соединение определённой прочности, обусловленное межмолекулярными силами.
Смачивание и растекание предполагают наличие одной из фаз в жидком состоянии и обусловлены адгезией. Адгезия и смачивание сопровождают друг друга и характеризуют межфазное взаимодействие (склеивание материалов; нанесение ЛКМ и неорганических материалов; получение материалов на основе связующих и наполнителей: бетона, стеклопластика, резины; сварка и паяние металлов).
Адгезия – результат стремления системы к уменьшению поверхностной энергии (самопроизвольный процесс). Полная работа адгезии на всю площадь поверхности контакта тел S, равна и измеряется в Дж/м 2 :
 |
При совмещении этих поверхностей, т.е. при нанесении одного вещества на другое, происходит адгезия, возникает межфазное натяжение, равное σ2,3. В результате первоначальная энергия Гиббса уменьшается на величину, равную работе адгезии, т.е.
Для начального и конечного состояния cистемы: Gнач = σ2,1 + σ3,1 и Gкон = σ2,3. Изменение энергии Гиббса системы в процессе адгезии равно:
закон сохранения энергии при адгезии
Отсюда следует, чем больше работа адгезии, т.е. межфазное взаимодействие, тем меньше межфазное натяжение.
Межфазное натяжение становится равным 0, когда исчезает межфазная поверхность, что происходит при полном растворении фаз.
Wa ≥ σ2,1 + σ3,1 – условие растворения
и 
= > 
,
где Wk2 и Wk3 – работа когезии тел 2 и 3 соответственно.
Таким образом, условие растворения состоит в том, что работа адгезии между взаимодействующими телами должна быть больше или равна среднего значения суммы их работ когезии.
Смачивание, краевой угол.Если молекулы жидкости взаимодействуют с молекулами твердого тела сильнее чем между собой, то жидкость будет растекаться по поверхности или смачивать ее. Растекание будет происходить до тех пор, пока жидкость не покроет всю поверхность твердого тела или пока слой жидкости не станет мономолекулярным, что называется полным смачиванием (например, нанесение капли на стекло).
Смачивание – это поверхностное явление, заключающееся во взаимодействии жидкости с твердым телом или другим жидким телом при наличии одновременного контакта трех несмешивающихся фаз, одна из которых обычно является газом.
Краевой угол – угол между твердым телом и касательной к поверхности жидкости, отмеряемый со стороны твердого тела.
Полное несмачивание – краевой угол равен 180 0 (θ = 180 0 ), такой случай практически не наблюдается, т.к. меджду жидкостью и твёрдым телом всегда действуют силы притяжения.
Между крайними случаями полного и неполного смачивания, в зависимости от соотношения сил между молекулами жидкости с твердым телом, наблюдается переходные случаи неполного смачивания,т.е. капля образует с поверхностью тела определенный равновесный угол смачивания.
Рис. 4. Различные случаи неполного смачивания.
Значение краевого угла, образуемого водой на поверхности:
| поверхность | кварц | малахит | графит | тальк | сера | парафин |
| θ | 0˚ | 17˚ | 55-60˚ | 69˚ | 78˚ | 106˚ |
Смачивание – это результат сил поверхностного натяжения.
Рассмотрим пример неполного смачивания.
Рис. 5. Зависимость между краевым углом и поверхностным натяжением.
При образовании краевого угла все три силы должны быть уравновешены друг другом:
Дата добавления: 2015-08-11 ; просмотров: 3607 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
» /> определяются только значениями поверхностных натяжений на границах раздела всех трех фаз. Равновесию отвечает минимум поверхностной энергии, поэтому для каждой системы при данных внешних условиях угол 
» />.
Чтобы получить соотношение между работой адгезии и поверхностными натяжениями взаимодействующих компонентов, представим себе две конденсированные фазы 2 и 3, имеющие поверхности на границе с воздухом 1, равные единице площади.
Угол θ, который образован касательными к межфазным поверхностям, ограничивающим смачивающую жидкость, имеющий вершину на линии раздела трех фаз, называется краевым углом, или углом смачивания.
в уравнении Дюпре заменить ее выражением нз закона Юнга
, получим
