Некоторые вопросы смачивания

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*= k/r (1)

краевого угла θ для малых капель в уравнение равновесия на

линии смачивания нужно вводить дополнительное слагаемое k/r.
С учетом этой поправки равновесный краевой угол θ определяет уравнение Шелудко-Тошева-Платиканова (1980):
соs θ = соs θ - k/ σ·r (2)

при контакте поверхностей двух разных веществ.
Причиной адгезии является молекулярное

притяжение контактирующих веществ или их химическое взаимодействие.
Термодинамической характеристикой адгезии служит работа, которую необходимо совершить для разделения двух контактирующих фаз, например для полного отделения капли жидкости от твердой поверхности.

При этом условии удельную работу, отнесенную к единице площади поверхности,

которая образуется при разрыве адгезионного контакта, называют работой адгезии (Wa, Дж/м2).
Для расчета работы адгезии нужно определить изменение поверхностной энергии при изотерми-ческом отрыве слоя жидкости от твердой подложки.

поверхность жидкость-твердое тело имеет удельную энергию σтж .
Для отрыва

затрачивается работа Wa (в расчете на единицу площади).
При этом возникают две новые поверхности : жидкость-газ и твердое тело-газ с удельными поверхностными энергиями σжг и σтг, соответственно. Из закона сохране-ния энергии следует:
σтж + Wa = σжг и σтг (3)

σжг + σтг - σтж (4)
Заменим числитель в уравнении Юнга:
σтг

– σтж = Wa – σжг (5)
тогда получим другое термодинамическое уравнение для краевого угла смачивания:
соs θ = (Wa/ σжг) - 1 (6)

Первый фактор- молекулярное притяжение жидкости к твердой поверхности: чем сильнее

это притяжение, тем больше работа адгезии.
Второй фактор- взаимное притяжение молекул жидкости, качественной мерой которого является поверхностное натяжение.

к твердой подложке (Wa > σжг), имеем :
соs θ

> 0, т.е. жидкость смачивает твердую поверхность.
Напротив, если сильное взаимное притяжение молекул жидкости (σжг > Wa) , то соs θ < 0 и θ > 90 о; это случай несмачивания.

лучше смачивают твердые тела, чем жидкости с большим поверхностным натяжением.

Эксперименты подтверждают этот вывод.
Многие органические жидкости и сжиженные газы полностью смачивают большинство твердых материалов.

уравнения Фоукса для поверхностного натяжения на границе конден-сированных фаз.
Уравнение

Фоукса позволяет выразить поверх-ностное натяжение σтж следующим образом:
σтж = σт + σж – 2 (σт,d· σж,d) ½
тогда получаем: Wa = 2(σт.d· σж,d) ½ (7)

краевыми углами смачивания и природой сил взаимодействия между жидкостью и

поверхностью твердого тела.
В расчете на 1 моль вещества твердого тела энергия (U тж) такого взаимодействия равна :
U тж = Wa · NA/nT (8)
где NA– число Авогадро; nT - число молекул (атомов, ионов) на единице площади твердого тела.

:
n T = (ρТ NA/ МТ)2/3 (9)
где ρТ, МТ

– соответственно, плотность и молекулярная масса твердого вещества.
При этих упрощениях энергия взаимодействия равна:
U тж = Wa (МТ /ρТ)2/3 · NA1/3 (10)

небольшим
(σ < 100 мДж/м2) поверхностным натяжением необходимое условие смачивания

Wa > σж может выполняться при сравнительно небольших энергиях взаимодействия U тж ~ 1-10 кДж/моль.
Такие небольшие энергии характерны для молекулярных сит, в том числе и для дисперсных взаимодействий.

натяжение которых велико - 102 -10 3 мДж/м2.
К ним

относятся жидкие металлы, расплавы солей и оксидов и т.п.
Для смачивания такими жидкостями необходимы большие энергии взаимодействия U тж ~ 101 – 102 кДж/моль. Такие энергии характерны для химических взаимодействий с образованием ионных, ковалентных и металлических связей.

зависимости от их поверхностной энергии σтг на границе с газом

.
Различают две группы твердых поверхностей:
низкоэнергетические (σтг ≤ 100 мДж/м 2);
высокоэнергетические (σтг > 100 мДж/м2).

твердым телом.
При смачивании высокоэнергетических поверхностей большую роль могут играть

взаимодействия другой природы, особенно при контакте с жидкостями с высоким поверхност-ным натяжением.

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.

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 = 2πρS2h/ε (11)
где ρS - плотность поверхностного заряда, Кл/м2 ; h- расстояние между обкладками, при котором возникает электрический разряд; ε- диэлектрическая проницаемость среды.

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 «переплетен-ными» макромолекулами адгезива и субстрата.

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.

адсорбционного 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. ).