Некоторые вопросы смачивания НТ-10 Смачивание нанокаплями p

Некоторые вопросы смачивания НТ-10

Смачивание нанокаплями p p Термодинамический параметр- линейное натяжение (к, Дж/м). Избыточную энергию линии трехфазного контакта по сравнению с энергией поверхности жидкости (для одинакового числа молекул) называют линейным натяжением. Энергию относят не к единице площади, а к единице длины, т. е размерность линейного натяжения – Дж/м. Поскольку 1 Дж = 1 Н· м – линейное натяжение имеет размерность силы – ньютон (Н). Эта сила направлена вдоль линии смачивания, она создает двухмерное давление: p p*= k/r (1)

Смачивание нанокаплями Соотношение (1) называют уравнением Веселовского –Перцова (1936). p При выводе краевого угла θ для малых капель в уравнение равновесия на линии смачивания нужно вводить дополнительное слагаемое k/r. p С учетом этой поправки равновесный краевой угол θ определяет уравнение Шелудко-Тошева. Платиканова (1980): p соs θ = соs θ - k/ σ·r (2) p

Адгезия – поверхностное явление, которое заключается в возникновении механической прочности при контакте поверхностей двух разных веществ. p Причиной адгезии является молекулярное притяжение контактирующих веществ или их химическое взаимодействие. p Термодинамической характеристикой адгезии служит работа, которую необходимо совершить для разделения двух контактирующих фаз, например для полного отделения капли жидкости от твердой поверхности. p

Адгезия p p p Процесс разрыва адгезионного контакта должен происходить при постоянной температуре (изотермически). При этом условии удельную работу, отнесенную к единице площади поверхности, которая образуется при разрыве адгезионного контакта, называют работой адгезии (Wa, Дж/м 2). Для расчета работы адгезии нужно определить изменение поверхностной энергии при изотерми-ческом отрыве слоя жидкости от твердой подложки.

Адгезия p p В начальном состоянии капля жидкости контактирует с твердой подложкой. Межфазная поверхность жидкостьтвердое тело имеет удельную энергию σтж. Для отрыва затрачивается работа Wa (в расчете на единицу площади). При этом возникают две новые поверхности : жидкостьгаз и твердое тело-газ с удельными поверхностными энергиями σжг и σтг, соответственно. Из закона сохранения энергии следует: σтж + Wa = σжг и σтг (3)

Адгезия Таким образом, работу адгезии определяет уравнение Дюпре (1869): p Wa = σжг + σтг - σтж (4) p Заменим числитель в уравнении Юнга: p σтг – σтж = Wa – σжг (5) p тогда получим другое термодинамическое уравнение для краевого угла смачивания: p соs θ = (Wa/ σжг) - 1 (6) p

Адгезия Уравнение (6) показывает, что краевой угол определяется конкуренцией двух факторов. p Первый фактор- молекулярное притяжение жидкости к твердой поверхности: чем сильнее это притяжение, тем больше работа адгезии. p Второй фактор- взаимное притяжение молекул жидкости, качественной мерой которого является поверхностное натяжение. p

Адгезия p Из уравнения (6) следует, что при преобладании притяжения жидкости к к твердой подложке (Wa > σжг), имеем : p соs θ > 0, т. е. жидкость смачивает твердую поверхность. p Напротив, если сильное взаимное притяжение молекул жидкости (σжг > Wa) , то соs θ < 0 и θ > 90 о; это случай несмачивания.

Адгезия Из уравнения (6) следует, что жидкости с небольшим поверхностным натяжением лучше смачивают твердые тела, чем жидкости с большим поверхностным натяжением. p Эксперименты подтверждают этот вывод. p Многие органические жидкости и сжиженные газы полностью смачивают большинство твердых материалов. p

Адгезия Уравнение (6) для расчета работы адгезии можно преобразовать с учетом уравнения Фоукса для поверхностного натяжения на границе конденсированных фаз. p Уравнение Фоукса позволяет выразить поверхностное натяжение σтж следующим образом: p σтж = σт + σж – 2 (σт, d· σж, d) ½ p тогда получаем: Wa = 2(σт. d· σж, d) ½ (7) p

Адгезия Представление о работе адгезии очень полезно для выявления связи между краевыми углами смачивания и природой сил взаимодействия между жидкостью и поверхностью твердого тела. p В расчете на 1 моль вещества твердого тела энергия (U тж) такого взаимодействия равна : p U тж = Wa · NA/n. T (8) p где NA– число Авогадро; n. T - число молекул (атомов, ионов) на единице площади твердого тела. p

Адгезия Примем, что толщина поверхностного слоя (δ) соответствует мономолекулярному слою, тогда : p n T = (ρТ NA/ МТ)2/3 (9) p где ρТ, МТ – соответственно, плотность и молекулярная масса твердого вещества. p При этих упрощениях энергия взаимодействия равна: p U тж = Wa (МТ /ρТ)2/3 · NA 1/3 (10) p

Адгезия Уравнение (10) приводит к следующему выводу. p Для жидкостей со сравнительно небольшим p (σ < 100 м. Дж/м 2) поверхностным натяжением необходимое условие смачивания Wa > σж может выполняться при сравнительно небольших энергиях взаимодействия U тж ~ 1 -10 к. Дж/моль. p Такие небольшие энергии характерны для молекулярных сит, в том числе и для дисперсных взаимодействий. p

Адгезия Другая ситуация возникает при контакте твердых тел с жидкостями, поверхностное натяжение которых велико - 102 -10 3 м. Дж/м 2. p К ним относятся жидкие металлы, расплавы солей и оксидов и т. п. p Для смачивания такими жидкостями необходимы большие энергии взаимодействия U тж ~ 101 – 102 к. Дж/моль. Такие энергии характерны для химических взаимодействий с образованием ионных, ковалентных и металлических связей. p

Адгезия На основе этих представлений проводится классификация твердых тел в зависимости от их поверхностной энергии σтг на границе с газом. p Различают две группы твердых поверхностей: p низкоэнергетические (σтг ≤ 100 м. Дж/м 2); p высокоэнергетические (σтг > 100 м. Дж/м 2). p

Адгезия При смачивании низкоэнергетических поверхностей преобладают дисперсионные взаимодействия между жидкостью и твердым телом. p При смачивании высокоэнергетических поверхностей большую роль могут играть взаимодействия другой природы, особенно при контакте с жидкостями с высоким поверхностным натяжением. p

Адгезия p p Для расчета работы адгезии разработано несколько теорий: молекулярная, электрическая и диффузионная. Согласно молекулярной (или адсорбционной) теории причиной адгезии служат силы Ван-дер-Вальса. Эта теория используется для описания адгезии полимеров (адгезивов) к различным твердым подложкам (субстратам). Адгезия рассматривается как поверхностный процесс, в котором решающее значение имеет адсорбция молекул вещества (адгезива) на определенных участках твердого субстрата.

Адгезия p p Электрическая теория основана на явлении контактной электризации при соприкосновении двух диэлектриков или металла и диэлектрика. Система адгезив-субстрат рассматривается как конденсатор, роль обкладок которого играют две контактирующие поверхности. В рамках этой модели при раздвижении обкладок конденсатора возникает разность электрических потенциалов. Поэтому работа адгезии определяется электрической энергией конденсатора: Wa = 2πρS 2 h/ε (11) где ρS - плотность поверхностного заряда, Кл/м 2 ; hрасстояние между обкладками, при котором возникает электрический разряд; ε- диэлектрическая проницаемость среды.

Адгезия p p Диффузионная теория - связывает возникновение адгезионной прочности с диффузией молекул адгезива в субстрат. При контакте полимерных материалов возможно также диффузионное проникновение в субстрат отдельных сегментов. При достаточно продолжительном контакте происходит спайка адгезива и субстрата и поверхность раздела между ними исчезает. Прочность адгезионного взаимодействия определяется молекулярным взаимодействиями между «переплетенными» макромолекулами адгезива и субстрата.

Адгезия p p Адгезия играет большую роль во многих процессах природных и технологических, например, склеивание различных материалов (металлов, пластмасс, дерева), нанесения красок и других покрытий. Адгезия смазок сильно влияет на трение. Для существенного снижения коэффициента трения на твердой поверхности должна образоваться мономолекулярная пленка поверхностно-активного вещества. Чем длиннее молекула ПАВ, тем меньше работа адгезии по отношению к этой модифицированной подложке.

Адгезия p p p Минимальный уровень работы адгезии достигается при максимально упорядоченной структуре смазочного адсорбционного слоя. Высокая степень порядка обеспечивается при бомбардировке одной из трущихся поверхностей атомами гелия. При такой обработке обнаруживается явление сверхнизкого трения: коэффициент трения между двумя твердыми поверхностями уменьшается в десятки раз по сравнению с необработанными материалами. Уменьшение работы адгезии необходимо также для предотвращения прилипания льда к твердым поверхностям (обледенение самолетов), гололед и др. ).