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 (G_e) зависит от потенциала разряда (V_e) 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 s_Т-Г показывает поверхностное натяжение между твердым телом и газовой фазой, s_Т-Ж показывает поверхностное натяжение между твердым телом и жидкой фазой, а s_Ж-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 s_Т-Г > s_Т-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 s_Т-Г×cosq, которую принято называть натяжением смачивания [9].

Работа когезии А_к 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×s_ж-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 £ s_ж-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.