Материал: 3995

16

металлов, печатание, крашение сопровождаются рядом поверхностных явлений.

Поверхностные явления - совокупность явлений, протекающих в поверхностных слоях на границе раздела контактирующих фаз: твердое теложидкость (Т-Ж), твердое тело-газ (Т-Г), жидкость-газ (Ж-Г), твердое тело- жидкость-газ (Т-Ж-Г).

К ним относятся адсорбция, адгезия, смачивание, растекание и др. Межмолекулярное взаимодействие внутри одной фазы (например,

жидкости) обусловлено силами когезии (взаимного притяжения, сцепления), т.е. химическими связями между атомами вещества и межмолекулярным взаимодействием. Когезия характеризуется величиной работы когезии, т.е. свободной энергией разделения тела на части и удаления их на такое расстояние, когда нарушается целостность тела. Работу когезии, Wk, определяют как работу обратимого изотермического разрушения тела: Wk=2σ, где σ - удельная поверхностная энергия (для твердых тел) или поверхностное натяжение (для жидкостей).

Вповерхностном слое жидкой или твердой фазы молекулы вещества обладают избытком энергии Гиббса (свободной поверхностной энергии Gs) изза нескомпенсированного поля межмолекулярных сил на границе жидкость-газ или твердое тело-газ.

Врезультате этого на поверхности любой жидкости существует огромное давление или поверхностное натяжение, которое стремится вернуть все молекулы с поверхности внутрь жидкости и сократить поверхность.

Свободная поверхностная энергия определяется уравнением

Gs = σ*s, (1)

где σ - поверхностное натяжение; s - общая площадь поверхности раздела фаз. Поверхностное натяжение равно работе, затраченной на образование

единицы площади поверхности жидкости при постоянной температуре. Коэффициент поверхностного натяжения измеряется в джоулях на метр квадратный (Дж/м2) или в ньютонах на метр (1 Н/м = 1 Дж/м2).

17

При контакте двух разнородных фаз возникает адгезия (от латинского adhaesio - прилипание) - явление притяжения (сцепления, слипания) приведенных в контакт разнородных твердых или жидких тел, например, материала лакокрасочного или клеевого покрытия и подложки. Это самопроизвольный процесс. Причиной адгезионного взаимодействия является адсорбция молекул жидкой фазы на поверхности твердого вещества за счет сил межмолекулярного (водородная связь, силы Ван-дер-Ваальса) или химического взаимодействия (ионные, ковалентные, металлические связи).

Адсорбция (от латинского sorbeo – поглощаю, ad – на) – поглощение молекул газообразного или жидкого вещества на поверхности твердого или жидкого вещества (адсорбента).

Рассмотрим контакт между 3 фазами: 0 - газ, 1 -жидкость, 2 - твердое тело, например, в случае нанесения жидкого ЛКМ на твердую поверхность подложки в воздушной среде (рис.4).

2,3

2

Рис.4. Межфазное натяжение в системах газ (0) – жидкость (1) – твердое тело (2)

Тогда на границах раздела каждой из фаз возникнет соответствующее поверхностное натяжение: 1,2 - на границе раздела жидкость-твердое вещество; 1,0 - на границе раздела жидкость-воздушная фаза и 2,0 - поверхностное натяжение на границе с твердое вещество-воздушная фаза. С учетом этих обозначений, работа адгезии, характеризующая взаимодействие ЛКМ с подложкой, рассчитывается по уравнению Дюпре:

Wa = 1,0 + 2,0 - 1,2 (5)

Уравнение отражает закон сохранения энергии при адгезии, согласно которому работа адгезии тем больше, чем больше поверхностные натяжения исходных компонентов и чем меньше конечное межфазное натяжение.

При нанесении лакокрасочного или клеевого материала (жидкая фаза) на поверхность подложки (твердая фаза) в воздушной среде растекание капли

18

происходит, если с поверхности вытесняются адсорбированные молекулы газов и воды, т.е. явление смачивания.

Рассмотрим каплю жидкости на поверхности твердого тела (Рис.5).

Рис. 5. Контур капли жидкого адгезива на поверхности подложки В точке А, находящейся на этой границе, приложены три силы: сила

поверхностного натяжения на границе жидкость - газ σ10, сила поверхностного натяжения на границе твердое тело - газ σ20 и сила межфазного натяжения на границе твердое тело - жидкость σ12. Каждая из этих сил направлена перпендикулярно границе взаимодействия трех фаз (периметру капли на поверхности), тангенциально к соответствующей поверхности раздела и стремится сократить эту поверхность.

Угол θ между поверхностью капли и поверхностью твердого тела, измеряемый со стороны жидкости, называется краевым углом или углом смачивания. Форма капли и величина угла смачивания определяются соотношением величины поверхностной энергии Гиббса твердого тела на границе с жидкостью (σ12) и газовой фазой (σ20) и рассчитываются по Уравнению Юнга

Значения В=cosθ лежат в пределах -1 < cosθ < 1 и являются критерием способности жидкости смачивать твердое тело.

Если угол θ острый (θ < 90o) и cosθ > 0, то есть σ20 > σ12, то жидкость смачивает твердое тело (рис. 6а).

Если угол θ тупой (θ > 90o) и cosθ < 0, то есть σ12 > σ20, то жидкость не смачивает твердое тело (рис. 6в).

Смачиваемость водой некоторых твердых тел характеризуется следующими краевыми углами: кварц – 0о, малахит – 17о, графит –55о, тальк – 69о, парафин – 106о. Хуже всего смачивается водой фторопласт, на котором угол смачивания водой – 108о.

19

Поверхности, хорошо смачиваемые жидкостью, называются лиофильными, в случае воды – гидрофильными. Гидрофильную поверхность имеют оксиды и гидроксиды металлов, силикаты, сульфаты, карбонаты.

Поверхности, не смачиваемые жидкостью, являются лиофобными, не смачиваемые водой – гидрофобными. Гидрофобной поверхностью обладают органические соединения с большим содержанием углеводородных групп (все углеводороды и другие органические вещества с углеводородными радикалами).

Из неорганических веществ гидрофобными являются графиты, сера, сульфиды тяжелых металлов.

Объединив уравнения Дюпре и Юнга получаем

Следовательно, при Wk<2Wa, когда адгезия жидкости более чем вдвое превышает ее когезию к твердому телу и θ < 90o смачивание наблюдается.

При Wk>2Wa, когезия жидкости более чем вдвое превышает ее адгезию к твердому телу и θ > 90o жидкость не смачивает твердое тело.

Если же Wa=Wk, то краевой угол равен нулю, и жидкость растекается по поверхности твердого тела.

Таким образом, условием хорошего смачивания жидкостью твердого тела является слабая когезия. Когезия снижается с понижением поверхностного натяжения и вязкости жидкостей, и с повышением температуры. Различные жидкости неодинаково смачивают одну и ту же поверхность. Наилучшим образом смачивает поверхность та жидкость, которая ближе по полярности к смачиваемому веществу и имеет меньшее поверхностное натяжение. Например, углеводороды, имеющие малые значения поверхностного натяжения,

20

смачивают практически любую поверхность. Ртуть же, имеющая большое значение поверхностного натяжения, практически не смачивает твердые тела.

Среди лакокрасочных материалов краски на основе растительных масел имеют невысокие значения поверхностного натяжения на границе с воздухом (σ =25-35 мДж/м2). Такие краски хорошо смачивают самые разные поверхности. Для олигомерных пленкообразователей поверхностная активность снижается в ряду

Алкидные > Полиэфирные > Эпоксидные > Фенолоформальдегидные > > Мочевиноформальдегидные.

Поверхностное натяжение органических растворителей (углеводородов, эфиров, спиртов) равно 22-36 мДж/м2, в то время как поверхностное натяжение воды равно 72,7 мДж/м2. Поэтому краски на водной основе неудовлетворительно смачивают гидрофобные и плохообезжиренные поверхности. Для снижения поверхностного натяжения в воднодисперсионные краски вводят спиры и ПАВы (поверхностно-активные вещества).

Часто определить краевой угол смачивания бывает невозможно (например, при смачивании порошков), тогда единственной характеристикой смачивания остается теплота смачивания – энергия, выделяющаяся во время процесса смачивания, т.е. при погружении твердого тела в жидкость.

Таким образом, рассмотренные поверхностные явления присутствуют при использовании лаковых, олифовых и эмалевых покрытий древесины в производстве мебели и других древесных изделий, металлов при защите от коррозии. В производстве резиновых изделий эти явления характерны почти для каждой технологической операции; при бетонной и кирпичной кладке; изготовлении керамических изделий, эмалированной и фарфоровой посуды; книгопечатании и изготовлении пластмасс. То есть, везде, где два и более материала соединяются при помощи третьего в единую систему (или без него), присутствуют явления прилипания и склеивания.

Реактивы и оборудование

1) диапроектор; 2) набор подложек; 3) набор адгезивов; 4) пипетка

Экспериментальная часть

Для измерения краевого угла смачивания подложек различными адгезивами в данной работе используется метод жидкой капли. На подложку,