Электрическая теория адгезии
Из электрической теорииадгезии следует, что субстрат, разделенный прослойкой адгезива, представляет собой конденсатор, разъединению обкладок которого препятствуют электрические силы. В темноте при отрыве пленки из каучука, нитроцеллюлозы и др. материалов от стекла, металла и других поверхностей можно наблюдать разряды, сопровождаемые свечением и легким треском. Исследования показали, что после отрыва поверхность каучука заряжается отрицательно, а поверхности стекла и металлаположительно. Единственным объяснением, согласующимся со всеми экспериментальными данными, является следующее. Поверхности на границе раздела фаз, образовавшиеся при отрыве пленки, наэлектризованы противоположными зарядами в силу разделения друг от друга обкладок молекулярного электрического двойного слоя [10].
Сцепление между адгезивом и подложкой образуется за счет силы электрического притяжения, работающей в двойном электрическом слое. Энергия отрыва (Ge) зависит от потенциала разряда (Ve) следующим образом:
(4)
где h ̶ расстояние, на котором происходит разряд,м;
̶ электрическая постоянная, .
Смачивание
Краевой угол
Краевым углом (углом смачивания) обозначается угол, который образует капля жидкости на поверхности твердого вещества к данной поверхности. Размер краевого угла между жидкостью и твердым веществом зависит от взаимодействия между веществами на контактной поверхности. Смачивание является критерием адгезии для жидкостей [14].
На рисунке 1.3. Рассмотрим равновесие в системе, в которой капля жидкости помещена на твёрдую поверхность.
Рисунок 1.3 ̶ Теория смачивания [14]
Краевой угол q измеряется в сторону более полярной фазы (в данном случае в сторону воды). Обозначение sТ-Г показывает поверхностное натяжение между твердым телом и газовой фазой, sТ-Ж показывает поверхностное натяжение между твердым телом и жидкой фазой, а sЖ-Г показывает поверхностное натяжение между жидкой и газовой фазой [14].
Для измерения краевого угла необходимо провести касательную через 3 фазы (жидкость, газ, твердое тело). Угол между касательной и твердой фазой называют cos q, краевым углом смачивания. Угол q находится по таблице Брадиса [14].
Для состояния равновесия можно записать следующее условие:
(5)
При проецировании на ось Х получим выражение:
(6)
Из предыдущего выражения можно выделить cos q и получится уравнение Юнга.
(7)
где q ̶ краевой угол смачивания, значение которого характеризует взаимодействие в системе Т-Г-Ж;
cos q ̶ смачивание.
Если sТ-Г > sТ-Ж, то 0 < cos q < 1, из чего следует, что угол q – острый (наступающий), а поверхность ̶ гидрофильная. Если s Т-Г > s Т-Ж, то 1 < cos q < 0, из чего следует, что угол q – тупой (отступающий), а поверхность ̶ гидрофобная [14].
В зависимости от угла q различают следующие типы реализации явления смачивания:
а) Смачивание 0°˂ q ˂90° или 1˂ cos q ˂0.
Рисунок 1.4 ̶ Схема смачивание от 0° до 90°
б) Полное смачивание (растекание) q ≈ 0° или cos q ≈ 1.
Рисунок 1.5 ̶ Схема полное смачивание ≈0°
в) Инверсия смачивания q = 90° или cos q = 0.
Рисунок 1.6 ̶ Схема инверсия смачивания
г) Не смачивание или 0 ˂ cos q ˂ -1.
Рисунок 1.7 ̶ Схема не смачивания
д) Полное не смачивание q =180° или cos q = -1.
Рисунок 1.8 ̶ Схема полного не смачивания
Существуют также переходные поверхности (амфотерные), которые хорошо смачиваются как полярными, так и неполярными системами [14].
К гидрофильным поверхностям относятся силикаты, карбонаты, окислы железа. К гидрофобным поверхностям ̶ парафины, жиры, воск, чистые металлы [14].
Краевой угол смачивания зависит от строения поверхности, адсорбции жидкостей и газов, наличия ПАВ, температуры, давления, электрического заряда [14].
Изменение характера поверхности может быть реализовано при адсорбции на ней молекул ПАВ [14].
Различие во взаимодействии твердого тела с жидкостью и газом находит применение в выделении взвешенных веществ из суспензий методом флотации. Например, при культивировании микроорганизмов для получения кормового белка для выделения клеток из культуральной жидкости суспензию подвергают барботированию воздухом. Вследствие гидрофобности поверхности клетки «прилипают» к пузырькам воздуха и всплывают на поверхность. Схему флотации рассмотрим на рисунке 1.9.
Рисунок 1.9 - Схема выделения веществ методом флотации [14]
Данный метод можно использовать после фильтрации взвешенных мелкодисперсных веществ.
Работа адгезии и когезии
Равновесие в трехфазной системе определяется балансом сил взаимодействия молекул внутри каждой фазы и сил взаимодействия поверхностных молекул двух фаз между собой, т.е. явлениями когезии и адгезии соовтетственно. Прочность данных взаимодействий оценивают количеством энергии, необходимой для их разрыва, т.е. работой когезии и адгезии [11].
Для расчета работы адгезии используют уравнение Дюпре:
(8)
Рассмотрим техническую схему выполнения работы адгезии по уравнению.
Рисунок 1.10 ̶ Схема выполнения работы адгезии [14]
Для расчета работы когезии используют уравнением Дюпре:
(9)
Рассмотрим техническую схему выполнения работы когезии по уравнению.
Рисунок 1.11 ̶ Схема выполнения работы когезии [14]
Для отрыва адгезива от субстрата должно соблюдаться условие - работа когезии должна быть выше работы адгезии, и тогда разрыв произойдёт между жидкой и твердой фазой. Если работа когезии ниже, чем работа адгезии, то разрыв произойдёт внутри фаз (жидкая или твёрдая) [11].
Используя уравнение Юнга, качественно оценим влияние когезии и адгезии на равновесие в трехфазной системе.
(10)
(11)
Используя соотношение, мы получим уравнение Дюпре-Юнга:
(12)
(13)
(14)
Таким образом, при смачивании если 0˂ cosq ˂1 и следовательно есть следующая зависимость:
При не смачивании, должно выполнятся условие -1˂ cosq ˂0 то,
.
Следовательно, переход от несмачивания к смачиванию обеспечивается снижением и увеличением .
Следует, что при смачивании свободная энергия единицы поверхности твёрдого тела уменьшается на величину sТ-Г×cosq, которую принято называть натяжением смачивания [9].
Работа когезии Ак характеризует энергетические изменения поверхностей раздела при взаимодействии частиц одной фазы [9].
Из уравнения следует, что на отрыв жидкости от поверхности твёрдого тела при полном смачивании (когда cos q = 0) затрачивается работа, необходимая для образования двух жидких поверхностей ̶ 2×sж-г.
Это значит, что при полном смачивании жидкость не отрывается от поверхности твёрдого тела, а происходит разрыв самой жидкости, т.е. при полном смачивании s ж-г £ sж-т.
Подставив в уравнение Юнга значения работ адгезии и когезии, получим:
(15)
Из уравнения 15 следует, что смачиваемость жидкостью твёрдого тела тем лучше, чем меньше работа когезии и поверхностное натяжение жидкости на границе с газом [8].
Для характеристики смачивающих свойств жидкости используют также относительную работу адгезии:
(16)
где z ̶ характеристика смачивания жидкости.