Что такое когезия и адгезия – 32. Когезия и адгезия. Характер разрушения адгезионного соединения. Условие адгезионного разрушения. Уравнение Дюпре для работы адгезии.

Содержание

Глава 2.4 Адгезия. Когезия. Смачивание и растекание жидкости

Тема 2.4.1. Понятие когезии и адгезии. Смачивание и растекание. Работа адгезии и когезии. Уравнение Дюпре. Краевой угол смачивания. Закон Юнга. Гидрофобные и гидрофильные поверхности

В гетерогенных системах различают межмолекулярное взаимодействие внутри фаз и между ними.

Когезия — притяжение атомов и молекул внутри отдельной фазы. Она определяет существование вещества в конденсированном состоянии и может быть обусловлена межмолекулярными и межатомными силами. Понятие адгезии, смачивания и растекания относятся к межфазным взаимодействиям.

Адгезия обеспечивает между двумя телами соединение определенной прочности благодаря физическим и химическим межмолекулярными силами. Рассмотрим характеристики когезионного процесса. Работа когезии определяется затратой энергии на обратимый процесс разрыва тела по сечению равной единице площади: Wk

=2, где Wk— работа когезии; - поверхностное натяжение

Так как при разрыве образуется поверхность в две параллельные площади, то в уравнении появляется коэффициент 2. Когезия отражает межмолекулярное взаимодействие внутри гомогенной фазы, то ее можно охарактеризовать такими параметрами как энергия кристаллической решетки, внутреннее давление, летучесть, температура кипения. Адгезия — результат стремления системы к уменьшению поверхностной энергии. Работа адгезии характеризуется работой обратимого разрыва адгезионной связи, отнесенной к единице площади. Она измеряется в тех же единицах, что и поверхностное натяжение. Полная работа адгезии, приходящаяся на всю площадь контакта тел: Ws=WaS

Т

аким образом,адгезия — работа по разрыву адсорбционных сил с образованием новой поверхности в 1м2.

Чтобы получить соотношение между работой адгезии и поверхностным натяжением взаимодействующих компонентов, представим себе две конденсированные фазы 2 и 3, имеющие поверхность на границе с воздухом 1, равную единице площади (рис. 2.4.1.1).

Будем считать, что фазы взаимно нерастворимы. При совмещении этих поверхностей, т.е. при нанесении одного вещества на другое происходит явление адгезии, т.к. система стала двухфазной, то появляется межфазное натяжение 23. В результате первоначальная энергия Гиббса системы снижается на величину, равную работе адгезии:

G + Wa

=0, Wa= — G.

Изменение энергии Гиббса системы в процессе адгезии:

;

Gнач.= 31 + 21;

Gкон = 23;

.

уравнение Дюпре.

Оно отражает закон сохранения энергии при адгезии. Из него следует, что работа адгезии тем больше, чем больше поверхностные натяжения исходных компонентов и чем меньше конечное межфазное натяжение.

Межфазное натяжение станет равно 0, когда исчезнет межфазная поверхность, что происходит при полном растворении фаз

Учитывая, что Wk=2, и умножая правую часть на дробь , получим:

где Wk2, W

k3— работа когезии фаз 2 и 3.

Таким образом, условие растворения состоит в том, что работа адгезии между взаимодействующими телами должна быть равна или больше среднего значения суммы работ когезии. От работы когезии надо отличать адгезионную прочность Wп.

Wпработа, затраченная на разрушение адгезионного соединения. Эта величина отличается тем, что в нее входит как работа разрыва межмолекулярных связей Wa, так и работа, затраченная на деформацию компонентов адгезионного соединения Wдеф:

Wп = Wa + Wдеф.

Чем прочнее адгезионное соединение, тем большей деформации будут подвергаться компоненты системы в процессе его разрушения. Работа деформации может превышать обратимую работу адгезии в несколько раз.

Смачивание — поверхностное явление, заключающееся во взаимодействии жидкого с твердым или другим жидким телом при наличии одновременного контакта трех несмешивающихся фаз, одна из которых обычно является газом.

Степень смачиваемости характеризуется безразмерной величиной косинуса краевого угла смачивания или просто краевого угла. При наличии капли жидкости на поверхности жидкой или твердой фазы наблюдаются два процесса при условии, что фазы взаимно нерастворимы.

  1. Жидкость остается на поверхности другой фазы в виде капли.

  2. Капля растекается по поверхности.

На рис. 2.4.1.2 показана капля на поверхности твердого тела в условиях равновесия. Поверхностная энергия твердого тела, стремясь к уменьшению, растягивает каплю по поверхности и равна

31. Межфазная энергия на границе твердое тело — жидкость стремится сжать каплю, т.е. поверхностная энергия уменьшается за счет уменьшения площади поверхности. Растеканию препятствуют когезионные силы, действующие внутри капли. Действие когезионных сил направлено от границы между жидкой, твердой и газообразной фазами по касательной к сферической поверхности капли и равно 21. Угол  (тетта), образованный касательной к межфазным поверхностям, ограничивающим смачивающую жидкость, имеет вершину на границе раздела трех фаз и называется краевым углом смачиваемости. При равновесии устанавливается следующее соотношение

закон Юнга.

Отсюда вытекает количественная характеристика смачивания как косинус краевого угла смачивания . Чем меньше краевой угол смачивания и, соответственно, чем большеcos , тем лучше смачивание.

Если cos  > 0, то поверхность хорошо смачивается этой жидкостью, если cos  < 0, то жидкость плохо смачивает это тело (кварц – вода – воздух: угол  = 0; «тефлон – вода – воздух»: угол  = 1080). С точки зрения смачиваемости различают гидрофильные и гидрофобные поверхности.

Если 0< угол <90, то поверхность гидрофильная, если краевой угол смачиваемости >90, то поверхность гидрофобная. Удобная для расчета величины работы адгезии формула получается в результате сочетания формулы Дюпре и закона Юнга:

;

;

уравнение Дюпре-Юнга.

Из этого уравнения видна разница между явлениями адгезии и смачиваемости. Разделив обе части на 2, получим

.

Так как смачивание количественно характеризуется cos , то в соответствии с уравнением оно определяется отношением работы адгезии к работе когезии для смачивающей жидкости. Различие между адгезией и смачиванием в том, что смачивание имеет место при наличии контакта трех фаз. Из последнего уравнения можно сделать следующие выводы:

1. При = 0 cos = 1, Wa=Wk.

2. При = 900 cos = 0, Wa=Wk/2.

3. При =1800 cos = -1, Wa=0.

Последнее соотношение не реализуется.

Адгезия. Когезия. Смачивание и растекание жидкости

Понятие когезии и адгезии. Смачивание и растекание. Работа адгезии и когезии. Уравнение Дюпре. Краевой угол смачивания. Закон Юнга. Гидрофобные и гидрофильные поверхности

В гетерогенных системах различают межмолекулярное взаимодействие внутри фаз и между ними.

Когезия — притяжение атомов и молекул внутри отдельной фазы. Она определяет существование вещества в конденсированном состоянии и может быть обусловлена межмолекулярными и межатомными силами. Понятие адгезии, смачивания и растекания относятся к межфазным взаимодействиям.

Адгезия обеспечивает между двумя телами соединение определенной прочности благодаря физическим и химическим межмолекулярными силами. Рассмотрим характеристики когезионного процесса. Работа когезии определяется затратой энергии на обратимый процесс разрыва тела по сечению равной единице площади:

Wk=2, где Wk— работа когезии; - поверхностное натяжение

Так как при разрыве образуется поверхность в две параллельные площади, то в уравнении появляется коэффициент 2. Когезия отражает межмолекулярное взаимодействие внутри гомогенной фазы, то ее можно охарактеризовать такими параметрами как энергия кристаллической решетки, внутреннее давление, летучесть, температура кипения, адгезия результат стремления системы к уменьшению поверхностной энергии. Работа адгезии характеризуется работой обратимого разрыва адгезионной связи, отнесенной к единице площади. Она измеряется в тех же единицах, что и поверхностное натяжение. Полная работа адгезии, приходящаяся на всю площадь контакта тел: Ws=WaS

Таким образом, адгезия

— работа по разрыву адсорбционных сил с образованием новой поверхности в 1м2.

Чтобы получить соотношение между работой адгезии и поверхностным натяжением взаимодействующих компонентов, представим себе две конденсированные фазы 2 и 3, имеющие поверхность на границе с воздухом 1, равную единице площади (рис. 2.4.1.1).

Будем считать, что фазы взаимно нерастворимы. При совмещении этих поверхностей, т.е. при нанесении одного вещества на другое происходит явление адгезии, т.к. система стала двухфазной, то появляется межфазное натяжение 23. В результате первоначальная энергия Гиббса системы снижается на величину, равную работе адгезии:

G + Wa=0, Wa= — G.

Изменение энергии Гиббса системы в процессе адгезии:

Gнач.= 31 + 21;

Gкон = 23;

;

.

уравнение Дюпре.

Оно отражает закон сохранения энергии при адгезии. Из него следует, что работа адгезии тем больше, чем больше поверхностные натяжения исходных компонентов и чем меньше конечное межфазное натяжение.

Межфазное натяжение станет равно 0, когда исчезнет межфазная поверхность, что происходит при полном растворении фаз

Учитывая, что Wk=2, и умножая правую часть на дробь , получим:

где Wk2, Wk3— работа когезии фаз 2 и 3.

Таким образом, условие растворения состоит в том, что работа адгезии между взаимодействующими телами должна быть равна или больше среднего значения суммы работ когезии. От работы когезии надо отличать адгезионную прочность Wп.

Wпработа, затраченная на разрушение адгезионного соединения. Эта величина отличается тем, что в нее входит как работа разрыва межмолекулярных связей Wa, так и работа, затраченная на деформацию компонентов адгезионного соединения Wдеф:

Wп = Wa + Wдеф.

Чем прочнее адгезионное соединение, тем большей деформации будут подвергаться компоненты системы в процессе его разрушения. Работа деформации может превышать обратимую работу адгезии в несколько раз.

Смачивание — поверхностное явление, заключающееся во взаимодействии жидкого с твердым или другим жидким телом при наличии одновременного контакта трех несмешивающихся фаз, одна из которых обычно является газом.

Степень смачиваемости характеризуется безразмерной величиной косинуса краевого угла смачивания или просто краевого угла. При наличии капли жидкости на поверхности жидкой или твердой фазы наблюдаются два процесса при условии, что фазы взаимно нерастворимы.

  1. Жидкость остается на поверхности другой фазы в виде капли.

  2. Капля растекается по поверхности.

На рис. 2.4.1.2 показана капля на поверхности твердого тела в условиях равновесия.

Поверхностная энергия твердого тела, стремясь к уменьшению, растягивает каплю по поверхности и равна 31. Межфазная энергия на границе твердое тело — жидкость стремится сжать каплю, т.е. поверхностная энергия уменьшается за счет уменьшения площади поверхности. Растеканию препятствуют когезионные силы, действующие внутри капли. Действие когезионных сил направлено от границы между жидкой, твердой и газообразной фазами по касательной к сферической поверхности капли и равно 21. Угол  (тетта), образованный касательной к межфазным поверхностям, ограничивающим смачивающую жидкость, имеет вершину на границе раздела трех фаз и называется краевым углом смачиваемости. При равновесии устанавливается следующее соотношение

закон Юнга.

Отсюда вытекает количественная характеристика смачивания как косинус краевого угла смачивания . Чем меньше краевой угол смачивания и, соответственно, чем большеcos , тем лучше смачивание.

Если cos  > 0, то поверхность хорошо смачивается этой жидкостью, если cos  < 0, то жидкость плохо смачивает это тело (кварц – вода – воздух: угол  = 0; «тефлон – вода – воздух»: угол  = 1080). С точки зрения смачиваемости различают гидрофильные и гидрофобные поверхности.

Если 0< угол <90, то поверхность гидрофильная, если краевой угол смачиваемости >90, то поверхность гидрофобная. Удобная для расчета величины работы адгезии формула получается в результате сочетания формулы Дюпре и закона Юнга:

;

;

уравнение Дюпре-Юнга.

Из этого уравнения видна разница между явлениями адгезии и смачиваемости. Разделив обе части на 2, получим

.

Так как смачивание количественно характеризуется cos , то в соответствии с уравнением оно определяется отношением работы адгезии к работе когезии для смачивающей жидкости. Различие между адгезией и смачиванием в том, что смачивание имеет место при наличии контакта трех фаз. Из последнего уравнения можно сделать следующие выводы:

1. При = 0 cos = 1, Wa=Wk.

2. При = 900 cos = 0, Wa=Wk/2.

3. При =1800 cos = -1, Wa=0.

Последнее соотношение не реализуется.

5.2. Когезия и адгезия

Явления смачивания и растекания тесно связаны с действием сил когезии и адгезии.

Когезией называют сцепление однородных молекул, атомов или ионов, которое включает все виды межмолекулярного и межатомного притяжения внутри одной фазы.

Когезия определяет существование веществ в конденсированном (твердом и жидком) состоянии. Такие состояния характеризуются высокой когезией. Газообразные вещества обладают малой когезией.

Адгезия (прилипание) – это молекулярное притяжение между поверхностями двух соприкасающихся разнородных твердых или жидких фаз. Адгезия является причиной склеивания двух разных веществ за счет действия физических или химических межмолекулярных сил.

Количественно когезию и адгезию характеризуют величиной работы когезии Wc и работы адгезии Wa.

Работа когезии равна энергии, которую нужно затратить на разрыв сил сцепления между молекулами данной фазы. Численно работа когезии равна удвоенному значению поверхностного натяжения.

Wc = 2 · σ

Работа адгезии – это работа, затрачиваемая на отрыв молекул одной фазы от молекул другой фазы

Wa = σА + σВ + σАВ

σА – поверхностное натяжение на границе вещества А с воздухом

σВ – поверхностное натяжение на границе вещества В с воздухом

σАВ — поверхностное натяжение на границе веществ А и В

Из уравнения видно, что работа адгезии тем больше, чем больше поверхностное натяжение каждой из фаз на границе с воздухом и чем меньше поверхностное натяжение на границе раздела между фазами А и В.

Рассматриваемые явления играют большую роль в таких процессах, как смачивание материалов, нанесение лакокрасочных и гальванических покрытий, получение материалов на основе связующих и наполнителей (бетон, резина, стеклопластики и др.), крашение, печатание, сварка и металлов.

Учитываются и используются адгезия и когезия в технологии лекарств, поскольку они влияют на взаимодействие компонентов в сложных лекарственных формах, на распадаемость таблеток, прочность покрытия их оболочками, на процессы растворения и в конечном итоге на эффективность терапевтического действия.

5.3. Заключение

К явлениям адсорбции близки явления смачивания и адгезии, определяющиеся интенсивностью взаимодействия между молекулами разных веществ. Количественными характеристиками смачивания являются краевой угол и теплота смачивания. По способности поверхностей избирательно смачиваться водой, их классифицируют на гидрофильные (θ < 90 0) и гидрофобные (θ > 90 0). Используя ПАВ, можно провести инверсию смачивания.

Когезию и адгезию количественно оценивают работой, необходимой для разрыва связей между молекулами данной фазы или разных фаз.

5.4. Вопросы для самоконтроля

  1. Чем обусловлено смачивание?

  2. Что называется краевым углом смачивания? Как его определяют экспериментально?

  3. Какие поверхности называют гидрофильными, гидрофобными?

  4. Как можно осуществить инверсию смачивания?

  5. Чем отличается когезия от адгезии?

6. Сорбенты

Сорбент (от лат. sorbens — поглотитель, в родительном падеже sorbentis — поглощающий) — это жидкость или твердое тело, обладающее способностью избирательного поглощения (сорбции) из окружающей среды газов, паров или растворённых веществ. Поглощающее тело называется сорбентом, поглощаемое им вещество — сорбатом (или сорбтивом). Поглощение вещества из газовой среды всей массой твёрдого тела или расплава называется также окклюзией. В зависимости от типа сорбции различают следующие виды сорбентов.

Абсорбент – это тело, образующее с поглощённым веществом твёрдый или жидкий раствор. Наиболее распространенными являются абсорбенты, применяемые для ликвидации разливов нефти, нефтепродуктов и химических веществ: абсорбенты на основе стружки скорлупы кокосового ореха, торфяного мха, вспученного перлита, окисленного терморасширяющегося графита, полипропилена и др.

Адсорбент – это тело, поглощающее (сгущающее) вещество на своей сильно развитой поверхности. Наиболее распространены: активированный уголь, активированный оксид алюминия, силикагель, диоксид кремния (кремнезем) и др.

Химические поглотители (сорбенты) – это тела, которые связывают поглощаемое вещество (сорбат), вступая с ним в химическую реакцию.

Ионообменный сорбент (ионит) – это тело, поглощающее из растворов ионы одного типа с выделением в раствор эквивалентного количества ионов другого типа. Иониты – твердые и  нерастворимые вещества, обычно это синтетические органические смолы, имеющие кислотные или щелочные группы. Иониты разделяются на катиониты, поглощающие катионы, и аниониты, поглощающие анионы. В зависимости от природы матрицы различают неорганические (иониты природного происхождения, к которым относятся алюмосиликаты, гидроксиды и соли поливалентных металлов) и органические (синтетические ионообменные смолы) иониты. Наиболее распространенными неорганическими ионитами являются цеолиты (молекулярные сита).

Жидкие сорбенты применяются для осушки природных и нефтяных газов. Жидкие сорбенты должны иметь высокую растворимость в воде, низкую стоимость, хорошую антикоррозионность, стабильность по отношению к газовым компонентам, малую вязкость и способность регенерации. Большинству этих требований наилучшим образом отвечают следующие жидкие сорбенты: диэтиленгликоль (ДЭГ) и триэтиленгликоль (ТЭГ), в меньшей степени моноэтиленгликоль (МЭГ).

Твердые сорбенты подразделяются на порошкообразные (или гранулированные) и волокнистые. Волокнистые сорбенты обладают большей кинетикой сорбции за счет более высокой удельной поверхности и большей доступности функциональных групп. Также волокнистые сорбенты обладают лучшей регенеративной способностью — возможностью повторного применения, что особенно актуально для промышленных областей применения.

32. Когезия и адгезия. Характер разрушения адгезионного соединения. Условие адгезионного разрушения. Уравнение Дюпре для работы адгезии.

Когезия- сцепление молекул, атомов, ионов внутри одной фазы гомогенной части системы. Адгезия- явление взаимодействия 2-х разнородных конденсированных фаз (прилипание), заключается в приведении в контакт 2-х разнородных конденсированных фаз и образования связи между ними за счет сил притяжения.

Характер разрушения адгезионного соединения:1) Адгезионная прочность- напряжение которое необходимо затратить для разрушения адгезионного соединения. Радг=F/S

Wразр=Wадг+Wдеф. 1,1) разрыв на границе раздела фаз- адгезион 1,2)разрыв по одному из элементов- когезион. Радг<Рког. 2) Работа адгезии- обратимая изотермическая работы разделения 2-х конденсированных фаз вдоль межфазной границы=1.

Уравнение Дюпре для работы адгезии Wадг= σжг+ σтг+ σтж

33. Условие растекания жидкостей. Коэффициент растекания по Гаркинсу. Эффект Марангони.

σтг> σтж+ σжг; σтг- σтж> σжг; Wадг- σжг> σжг; Wадг>Wког; f=Wадг-Wког- коэффициент Гаркинса. f= σжг+ σтг— σтж=-2 σжг= σтг— σтж— σжг. f+-растекание жидкости, f- — растекания не наблюдается.

Эффект Марангони: наблюдается растекание жидкости с меньшим поверхностным натяжением на поверхности жидкости с большим поверхностным натяжением. Наблюдается движение жидкости на поверхностных слоях, обусловленное градиентом поверхностного натяжения. И течение происходит из области меньших поверхностных натяжений в область больших поверхностных натяжений. Этот эффект самопроизволен, сопровождается уменьшением ΔG.

34. Связь адгезии и смачивания. Вывод уравнения Дюпре-Юнга, его анализ.

Wадг= σтг+ σжг— σтж= σжгcos Θ+ σжг= σжг(1+cos Θ) разделим обе части на 2 σжг Wадг/2 σжг= = (1+cos Θ)/2; Wадг/Wког=1+cos Θ/2.

Проведем анализ уравнения: Θ=0° cos Θ=1 Wадг=Wког; Θ=180° cos Θ=-1 Wадг=0

35. Межфазное натяжение на границе между взаимно насыщенными жидкостями. Правило Антонова.

Для систем с 2-мя взаимнонасыщенными жидкостями соблюдается правило Антонова: σ12= σ1— σ2.-удельная межфазная энергия σ12 равна разности между поверхностными натяжениями более полярной σ1 и менее полярной σ2 жидкостей. Сопоставление правила Антонова и у-ния Дюпре: Wадг= σ1+ σ2- σ1+ σ2=Wког -разрыв всегда когезионный.

36. Адсорбция на границе раздела твердое тело-раствор. Обращение правила Траубе при адсорбции из водных и углеводородных растворов. Правило уравнивания полярностей Ребиндера.

Адсорбция на границе тв тело-раствор лежит в основе модификации поверхностей многих процессов очистки жидкостей от примесей.

Обращение правила Траубе: взаимодействие адсорбента и растворителя характеризуется теплотой смачивания(↑ теплоты смачивания ↓ адсорбции). Теплота смачивания из раствора Н2О на угле 6 кал/см2, а на силикате 400 кал/см2. чем меньше растворимость вещества в данном растворителе, тем лучше идет адсорбция.

Вода-уголь Толуол-силикагель

А А

Масляная к-та уксусная кислота

Пропионовая кислота пропионовая к-та

Уксусная кислота масляная к-та

С С

Правило Ребиндера. Определяет условия выбора того или иного адсорбента и структуру поверхности или адсорбционного слоя. Заключается в том, что процесс адсорбции идет в сторону выравнивания полярностей фаз, и тем сильнее, чем больше первоначальная разница полярностей. Полярность можно характеризовать диэлектрической постоянной:

В ЕА< ЕБ< ЕВ; ЕАБВ σ↓ FS

А Б улогь)+вода→(пав) уголь ) +вода — гидрофилизация поверхности угля.

Силикагель)+толуол→(пав) силикагель) +толуол -гидрофобизация

поверхности угля.

Адгезия и когезия

Физическая сущность смачивания особенно хорошо определяется с помощью понятий адгезии и когезии, имеющих четкий физический смысл.

Адгезия – это энергия молекулярной связи между поверхностями двух соприкасаемых фаз. Количественно ее определяют работой, затрачиваемой на разделение тел в расчете на единицу площади. Сцепление же между молекулами (атомами, ионами) в объеме тела называется когезией. Соответственно силы, действующие между молекулами, находящимися в разных фазах, называют силами адгезии, а внутри фазы – силами когезии.

Различают адгезию между двумя жидкостями или твердыми телами, а также между твердыми телами и жидкостью. Характер последнего типа адгезии оказывает большое влияние на процессы капиллярного контроля, поскольку от него зависит смачивание пенетрантом контролируемой поверхности.

Термодинамической характеристикой адгезии является убыль свободной энергии на единицу площади адгезионного контакта в изотермическом обратимом процессе. Работа при адгезионном отрыве Wa сопровождается образованием двух единичных поверхностей и ликвидацией межфазной единичной поверхности.

Используя уравнением Дюпре, можно вычислить Wa по экспериментально измеренным значениям σ и cosθ. Оно показывает, что чем лучше смачивание, тем больше адгезия. Поскольку при разрыве поверхности жидкости образуются две новые поверхности со свободной поверхностной энергией σ, работу когезии Wк можно выразить как Wк = 2 σ.

Таким образом, адгезионные силы стремятся растянуть каплю жидкости на твердой поверхности, а когезионные силы – стянуть ее, препятствуя растяжению. Разность S = Wa – Wк определяет коэффициент растекания, и его величина играет важную роль при теоретическом исследовании процессов растекания жидкости по твердой поверхности.

Величина работы адгезии имеет большое значение при очистке контролируемой поверхности от загрязнений. Например, изменение свободной поверхностной энергии при отрыве частицы загрязнений от поверхности определяется как E = σзж + σиж – σиз, где σзж, σиж, σиз – соответственно удельная поверхностная энергия на межфазных границах «изделие – загрязнение», «изделие – жидкость» и «загрязнение – жидкость».

Отрыв частицы возможен при E > 0, откуда следует необходимое условие очистки поверхности от загрязнений: σиз = σзж + σиж, откуда следует, что для уменьшения адгезии загрязнений к поверхности нужно максимально уменьшить σзж и σиж, сохраняя постоянной или даже увеличивая величину σиж.

Исходя из этого, в качестве моющих добавок необходимо выбирать поверхностно-активные вещества, адсорбирующиеся как на поверхности раздела «изделие – жидкость», так и на поверхности раздела «загрязнение – жидкость».

Теории адгезии

Это уравнение Дюпре. Оно отражает закон сохранения энергии при адгезии. Из него следует, что работа адгезии тем больше, чем больше поверхностные натяжения исходных компонентов и чем меньше конечное межфазное натяжение. В то же время чем больше работа адгезии, т. е. межфазное взаимодействие, тем меньше межфазное натяжение. Межфазное натяжение станет равным нулю, когда исчезнет межфазная поверхность, что происходит при полном растворении фаз. Условие растворения следует из уравнения:

Wа ≥ 12 + 13 или

 

 

W 2 12 2 13

Wк 2 Wк3

а

2

 

 

2

 

 

Таким образом, условие растворения состоит в том, что работа адгезии между взаимодействующими телами должна быть равна или больше среднего значения суммы их работ когезии.

От работы адгезии необходимо отличать адгезионную прочность — работу, затраченную на разрушение адгезионного соединения. Эта величина отличается тем, что в нее входит как работа разрыва межмолекулярных связей (работа Wа), так и работа затраченная на деформацию компонентов адгезионного соединения (работа деформации Wдеф):

Wп = Wа + Wдеф

Очевидно, чем прочнее адгезионное соединение, тем больше будут подвергаться деформации компоненты системы к моменту ее разрушения. Работа деформации иногда может превышать обратимую работу адгезии в несколько раз. С ростом скорости приложении нагрузки на систему роль деформации возрастает.

Процесс образовании адгезионной связи обычно делят на две стадии На первой, так называемой транспортной стадии происходит перемещение молекул адгезива (клеящего вещества, связующего) к поверхности субстрата (тело, на которое наносится адгезив) и их определенное ориентирование в межфазном слое, в результате чего обеспечивается тесный контакт между молекулами н функциональными группами молекул адгезива и субстрата. Протеканию первой стадии процесса адгезии способствуют повышение температуры и давления, а также перевод одной из фаз (обычно адгезива) в жидкое состояние с помощью растворения или плавления. Более тесный контакт между адгезивом и субстратом достигается после тщательной очистки взаимодействующих поверхностей. Вторая стадия адгезии состоит в непосредственном взаимодействии адгезива и субстрата, которое может быть обусловлено разными силами — от вандерваальсовых до химических. Силы ковалентных связей начинают действовать на расстояниях между атомами и молекулами, не превышающих 0,5 нм. Действие ионных и вандерваальсовых сил проявляется на более дальних расстояниях — приблизительно от 1 до 100 нм.

Известно несколько теорий адгезии. Каждая из них была разработана для объяснения конкретных результатов физико-химических экспериментов по измерению адгезионной прочности соединения «адгезив-субстрат» на макрообразцах и изучению влияния на адгезионную прочность различных факторов.

Механическая (микрореологическая) теория адгезии

Основателем механической теории адгезии является Мак-Бен. Согласно этой теории, адгезия осуществляется за счет затекания адгезива в поры или трещины на поверхности субстрата с последующим затвердеванием. При этом считается, что между адгезивом и субстратом образуются «заклепки», связывающие компоненты адгезионного соединения путем механического заклинивания. Таким образом, прочность адгезионного соединения определяется пористостью субстрата (включая форму пор) и прочностью пленки адгезива.

Механическое сцепление адгезива и субстрата, безусловно, играет существенную роль в обеспечении прочности адгезионного соединения, особенно если субстрат пронизан сеткой сквозных пор (ткань). Тем не менее, эта теория не объясняет адгезию непористых тел с гладкими поверхностями и не учитывает химическую природу и физико-химические свойства адгезива и субстрата. Основной вывод механической теории адгезии состоит в том, что увеличение площади контакта адгезива и субстрата приводит к увеличению прочности адгезионного соединения.

Адсорбционная теория адгезии

Адсорбционная (или молекулярная) теория адгезии разработана Дебройном и МакЛареном. Эта теория определяет адгезию как результат взаимодействия между адгезивом и субстратом за счет межмолекулярных сил, т.е. как физическую адсорбцию.

Основной вывод этой теории заключается в том, что высокая прочность адгезионного соединения достигается только в тех случаях, когда адгезив и субстрат обладают полярными функциональными группами. Это делает проблематичным объяснение адгезии между слабополярными и неполярными полимерами. Тем не менее, адсорбционная теория адгезии хорошо согласуется с представлениями о взаимосвязи адгезии и удельной свободной поверхностной энергией межфазных границ, величина которой определяется межмолекулярными взаимодействиями в объеме контактирующих фаз.

Химическая теория адгезии

Теория рассматривает явление адгезии как результат химического взаимодействия компонентов адгезионного соединения. Следует отметить, что резкую границу между адгезией, обусловленной физическими силами, и адгезией, реализующейся за счет образования химических связей между адгезивом и субстратом, провести нельзя точно так же, как нельзя четко разграничить явления физической адсорбции и хемосорбции. Очевидно, что здесь нельзя вести речь о единой модели образования адгезионного соединения, поскольку каждый случай адгезии в рамках данной теории реализуется по индивидуальному механизму.

Электрическая теория адгезии

Электрическая теория адгезии предложена Дерягиным и Кротовой.

Согласно этой теории, адгезия реализуется путем контактной электризации, имеющей место при тесном соприкосновении адгезива и субстрата. Адгезив и субстрат в адгезионном соединении отождествляются с обкладками электрического конденсатора, а процесс разъединения адгезива и субстрата — с раздвижением обкладок конденсатора. При этом между пластинами возникает разность потенциалов, которая растет с увеличением зазора между ними до наступления электрического разряда. При медленном разъединении адгезива и субстрата заряды успевают стечь с обкладок конденсатора, при высокой скорости разъединения высокая плотность заряда на обкладках конденсатора сохраняется вплоть до наступления разряда.

Следует отметить, что электрические явления, сопровождающие разрушение адгезионных соединений, наблюдаются лишь при определенных условиях эксперимента (абсолютно сухие образцы, большие скорости расслаивания). Кроме того, с точки зрения электрической теории адгезии, сближение химической природы адгезива и субстрата должно приводить к уменьшению контактной разности потенциалов, а, следовательно, и к снижению прочности адгезионного соединения. Этот тезис также не находит экспериментального подтверждения.

Диффузионная теория адгезии

Диффузионная теория, предложенная для объяснения адгезии полимеров, разработана Воюцким. С позиций этой теории адгезия обеспечивается посредством диффузии макромолекул или их сегментов через границу раздела «адгезив-субстрат» и образованием прочной связи между полимерами. Диффузия молекул одного полимера в другой есть ни что иное как растворение, которое приводит к исчезновению границы раздела фаз и образованию спайки между контактирующими телами (фазами). Таким образом, адгезия полимеров рассматривается как явление, затрагивающее не только поверхность раздела, но и достаточно широкие (порядка десятка мкм) слои контактирующих фаз и реализующееся посредством межмолекулярных сил.

Данная теория хорошо объясняет усиление адгезии при сближении химической природы компонентов. Однако экспериментальные данные, полученные в последнее время, свидетельствуют о необходимости рассмотрения процессов, происходящих именно вблизи межфазной границы «адгезив-субстрат». Для осуществления диффузионных процессов необходимо соблюдение двух условий: термодинамического, которое сводится к взаимной растворимости адгезива и субстрата и их совместимости, и кинетического, которое обеспечивается подвижностью макромолекул.

Релаксационная теория адгезии

Теория рассматривает процессы деформации, возникновение внутренних напряжений и их релаксацию в адгезиве при отделении пленок адгезива от поверхности субстрата. Следует отметить, что внутренние напряжения возникают в процессе формирования пленок адгезива и оказывают влияние на адгезионную прочность соединения «субстрат-адгезив». Природа адгезионной связи при этом не меняется: возникает лишь условие для изменения адгезии путем

уменьшения числа связей, приходящихся на единицу площади контакта адгезива и субстрата. Теория также учитывает возникновение и релаксацию внутренних напряжений в процессе эксплуатации материала, элементарной ячейкой которого является адгезионное соединение.

Теория слабых граничных слоев

Суть этой теории, разработанной Бикерманом, сводится к тому, что в зоне контакта адгезива и субстрата образуются «слабые» граничные слои с физикохимическими свойствами, отличными от свойств адгезива и субстрата, которые и определяют прочность адгезионного соединения. Рассуждения, положенные в основу данной теории, основаны на том, что вероятность разрушения адгезионного соединения строго вдоль межфазной границы крайне мала. Из этого следует, что механизм разрушения может быть только когезионным и экспериментально определяемая сила, необходимая для разрушения адгезионного соединения, адгезионной прочностью не является, а следовательно сведений об истинной адгезии величина То дать не может.

Представление о слабых граничных слоях занимает весьма важно для развития представлений о механизмах возникновения адгезионной прочности и разрушения адгезионных соединений: неотъемлемой частью большинства механических испытаний является контроль характера разрушения. Более того, при детальном рассмотрении некоторых межфазных явлений в полимерных системах обнаружено, что наряду с технологическими причинами возникновения слабых граничных слоев, существуют термодинамически обоснованные причины появления микрогетерогенности в поверхностных слоях, которые приводят, например, при контакте двух полимеров к образованию переходных областей, отличающихся по структуре и свойствам. Существенным плюсом данной теории является учет влияния среды, с которой контактирует адгезионное соединение.

Теория слабых граничных слоев почти не принимает во внимание химическую структуру адгезивов. Серьезной альтернативой этой теории является рассмотрение вопроса о локализации разрушений в элементарных ячейках волокнистых композитов.

Большинство из изложенных выше теорий адгезии по существу описывают разрушение адгезионных соединений. Ключом к пониманию именно явления адгезии является четкое разграничение двух процессов — формирования адгезионного соединения и его разрушения.

Без контакта поверхностей адгезива и субстрата явление адгезии проявляться не может. Этот аргумент является обоснованием для рассмотрения адгезии с точки зрения физической химии поверхностных явлений.

Смачивание и краевой угол

Смачивание — это поверхностное явление, заключающееся во взаимодействии жидкости с твердым или другим жидким телом при наличии одновременного контакта трех несмешивающихся , одна из которых обычно является газом (воздухом). Степень смачивания количественно характеризуется безразмерной величиной косинуса краевого угла (угла смачивания), или просто краевым углом (углом смачивания).

При нанесении небольшого количества жидкости, например, капли, на поверхность другой жидкости, имеющей большую плотность, или на поверхность твердого тела можно наблюдать два процесса, если приводимые в контакт вещества взаимно нерастворимы. В одном случае нанесенная жидкость остается на поверхность другой фазы в виде капли, принявшей при установившемся равновесии определенную форму. В другом случае капля растекается по поверхности.

Поверхностная энергия твердого тела, стремясь уменьшиться, растягивает каплю по поверхности. Эта энергия равна поверхностному натяжению твердого тела на границе с воздухом σ3,1. Межфазная энергия на границе твердого тела с жидкостью σ2,3 стремится наоборот, сжать каплю, т.е поверхностная энергия уменьшается за счет снижения площади поверхности. Растеканию препятствуют когезионные силы, действующие внутри капли. действие когезионных

сил направлено от границы между твердой, жидкой и газообразной фазами по касательной к сферической поверхности капли и равно σ2.1 (силы гравитации не учитываются). Угол θ, который образован касательными к межфазным поверхностям ограничивающим смачивающую жидкость и имеет вершину на линии раздела трех фаз, называется углом смачивания. Так как поверхностное натяжение можно рассматривать как энергию, приходящую на единицу площади, или как силу, действующую на еденицу длины, то все эти составляющие поверхностной энергии можно выразить с помощью векторов сил. При равновесии между ними соблюдается следующее соотношение:

тг тж жг cos

Полученное соотношение называется законом Юнга. Отсюда количественную характеристику смачивания как косинус краевого угла можно выразить через поверхностные межфазные натяжения следующим образом:

cos тг тжжг

Важно отметить, что при выводе закона Юнга предполагается взаимное равновесие между всеми фазами. Отсюда следует, что в результате установления равновесия между парами жидкости и поверхностью твердого тела на последней образуется адсорбционная пленка, снижающая поверхностное натяжение твердого тела

Чем меньше угол θ и соответственно больше соs θ, тем лучше смачивание. При остром угле θ, т. е. при соs θ>0, поверхность считают хорошо смачиваемой данной жидкостью. Если же угол θ тупой, т е. соs θ < 0, то по отношению к данной жидкости поверхность смачивается плохо (часто говорят «не смачивается»). Таким образом, границей между смачиваемостью и несмачиваемостью является угол θ = 90°, или соs θ = 0. Полного несмачивания, т. е. такого положения, когда краевой угол равен 180°, практически никогда не наблюдается, т.к. при соприкосновении конденсированных тел поверхностная энергия всегда уменьшается и σ2,3 не может оставаться равной сумме σ3,1 + σЗ,1.

Разные жидкости неодинаково смачивают одну и ту же поверхность. Согласно приближенному правилу лучше смачивает поверхность та жидкость, которая ближе по полярности к смачиваемому веществу (она сильнее с ним взаимодействует) и имеет меньшее поверхностное натяжение.

При нанесении на поверхность твердого тела двух жидкостей, нерастворимых друг в друге, между ними образуется краевой угол, характеризующий относительную способность этих жидкостей смачивать данное тело, т. е. избирательность смачивания. Очевидно, что та жидкость, которая лучше смачивает поверхность, обладает большим избирательным смачиванием по отношению к данному веществу (его поверхности).

Связь работы адгезии с краевым углом

Уравнение Дюпре самостоятельно почти не используется для расчета работы адгезии из-за трудности определения поверхностного натяжения твердых тел на границе с газом (воздухом) в жидкостью. Удобную для расчета этой величины форму имеет соотношение, получаемое в результате сочетания уравнения Дюпре с законом Юнга. Если разность σ3,1 — σ2,3 в уравнение Дюпре заменить ее выражением из закона Юнга

σ3,1 — σ2,3= σ2,1 ∙cosθ

получим

Wa = 21 (1 + cos )

Уравнение называют уравнением Дюпре — Юнга; оно связывает работу адгезии с краевым углом и позволяет рассчитать работу адгезии, если известны поверхностное натяжение жидкости и краевой угол. Обе эти величины можно сравнительно легко определить экспериментально.

Из уравнения четко видна разница между явлениями адгезии и смачивания. Принципиальное различие между явлениями адгезии и смачивания состоит в том, что смачивание имеет место при наличии сопряженных трех фаз.

Разделив обе части уравнения на 2, получим:

Wа 1 cos

Wк 2

Понятие о когезии и адгезии

Нужна помощь в написании работы?

Когезия (сцепленный), сцепление молекул (ионов) физического тела под действием сил притяжения. Это силы межмолекулярного взаимодействия, водородной связи и (или) иной химической связи. Они определяют совокупность физических и физико-химических свойств вещества: агрегатное состояние, летучесть, растворимость, механические свойства и т. д. Интенсивность межмолекулярного имежатомного взаимодействия (а, следовательно, силы когезии) резко убывает с расстоянием. Наиболее сильна когезия в твердых телах и жидкостях, то есть в конденсированных фазах, где расстояние между молекулами (ионами) малы — порядка нескольких размеров молекул. В газах средние расстояния между молекулами велики по сравнению с их размерами, и поэтому когезия в них незначительна. Мерой интенсивности межмолекулярного взаимодействия служит плотность энергии когезии. Она эквивалентна работе удаления взаимно притягивающихся молекул на бесконечно большое расстояние друг от друга, что практически соответствует испарению или сублимации вещества.

Адгезия (прилипание)- межфазное взаимодействие или взаимодействие между приведенными в контакт поверхностями конденсированных тел разной природы. Адгезия обеспечивает между двумя телами соединение определенной прочности, обусловленное межмолекулярными силами.

Различают адгезию между двумя жидкостями, между жидкостью и твердым телом и между двумя твердыми телами.

Адгезия — результат стремления системы к уменьшению поверхностной энергии. Поэтому адгезия является самопроизвольным процессом.

Работа адгезии Wад (по аналогии с работой когезии) определяется как работа изотермического обратимого разделения двух конденсированных фаз вдоль межфазной поверхности единичной площади.

Работа адгезии тем больше, чем больше поверхностные натяжения исходных компонентов и чем меньше межфазное натяжение.

Работу адгезии экспериментально определяют при непосредственном разрушении соединения. Работу адгезии можно определить и косвенными методами, которые особенно удобны, если хотя бы одной из взаимодействующих фаз является жидкость и можно измерить, например, краевой угол.

Поделись с друзьями

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о