Поверхностное натяжение и смачиваемость.

Поверхностное натяжение — это напряжение на поверхности, стремящееся уменьшить данную поверхность. Оно измеряется в Н/м при температуре 20° С. Применяют тензиометр с пластиной, дугой или кольцом.

Молекулы, находящиеся во внутренних слоях жидкости или воздуха, испытывают в среднем одинаковое по всем направлениям притяжение со стороны окружающих молекул; молекулы же поверхностного слоя подвергаются неодинаковому притяжению со стороны внутренних слоев вещества и с его стороны, граничащей с поверхностным слоем.

Например, на поверхности раздела «жидкость – воздух» молекулы жидкости, находящиеся в поверхностном слое, сильнее притягиваются со стороны соседних молекул внутренних слоев жидкости, чем со стороны молекул воздуха, так как межмолекулярные расстояния в жидкости намного меньше, чем в газе. Поэтому равнодействующая межмолекулярных сил в поверхностном слое не равна нулю и направлена внутрь фазы с большой когезией. Возникающие при этом силы, называемые силами поверхностного натяжения, стремятся уменьшить поверхность жидкости до минимальной при данных условиях.

В практике капиллярного контроля поверхностным натяжением обычно называют силы, действующие на границе раздела «пенетрант – воздух». Коэффициент поверхностного натяжения σ численно равен силе, действующей на единицу длины границы раздела «жидкость – газ» и обусловливающей сокращение поверхности жидкости. Направление этой силы – по касательной к границе раздела и перпендикулярно периметру.

Смачиваемость — это адгезия жидкости на поверхности твер-дого тела, т.е. образование малого контактного угла (< 90° ) между поверхностью жидкости и поверхностью твердого тела, В случае полного смачивания этот контактный угол равен 0° .

Смачивание контролируемой детали дефектоскопическими материалами – главное условие капиллярного контроля. Смачивание определяется взаимным притяжением молекул жидкости, твердого тела и газа.

Все жидкости по отношению к твердым телам разделяют на смачивающие и несмачивающие. Например, вода – смачивающая жидкость по отношению к стеклу, но несмачивающая – по отношению к парафину. Необходимым условием работоспособности методов капиллярного контроля является смачивание пенетрантом контролируемой поверхности. Количественная интерпретация данного явления обычно проводится на примере капли жидкости, находящейся в равновесии на твердой гладкой поверхности (рисунок). При растекании капли вплоть до образования мономолекулярного слоя жидкости имеет место так называемое полное смачивание. Во всех других случаях касательная к поверхности жидкости на границе раздела фаз «жидкость – твердое тело – газ» составляет некоторый угол θ с поверхностью твердого тела, называемый краевым углом смачивания и отсчитываемый со стороны жидкости к твердой поверхности.

Очевидно, что смачивание жидкостью твердой поверхности зависит от межфазного взаимодействия молекул не только на границе раздела «жидкость – газ», характеризуемого поверхностным натяжением σжг, но и от межфазных взаимодействий молекул на границах раздела «твердая поверхность – жидкость» и «твердая поверхность – газ». Обозначим величины этих двух последних межфазных поверхностных натяжений соответственно через σтж и σтг.При смачивании жидкостью твердого тела краевой угол лежит в пределах 0 < θ < 90°. Если жидкость не смачивает данную твердую поверхность, то 90° < θ < 180°.Сильное влияние на смачивание оказывают чистота и микрорельеф поверхности. Величина θ резко меняется при нанесении на твердую поверхность мономолекулярного слоя углеводородов. Например, слой масла на поверхности стали или стекла резко ухудшает ее смачиваемость водой, cosθ становится отрицательным. Поэтому очевидна роль очистки поверхности от жиров, масел и других загрязнений детали перед капиллярным контролем. Значительное влияние на смачивание оказывает и пленка оксидов.

Адгезия и когезия.

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 тео

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».

Сорбционные явления.

Сорбционные явления (от лат. sorbeo – поглощаю) – это физико-химические процессы, в результате которых происходит поглощение каким-либо веществом газа, пара или растворенного вещества из окружающей среды.

Состояние вещества у поверхности раздела соприкасающихся фаз отличается от его состояния внутри этих фаз вследствие различия молекулярных полей в разных фазах. Рассмотрим, например, поверхность твердого тела на границе с газом. Внутри твердого тела взаимодействия частиц (атомов, ионов или молекул) уравновешены. На поверхности же взаимодействия частиц не уравновешены, поэтому поверхность твердого тела притягивает молекулы из соседней газовой фазы. При этом концентрация молекул газа становится вблизи поверхности больше, чем в его объеме, т.е. газ адсорбируется поверхностью твердого тела.