Даниловская Л. П. / Лекция 12. Адгезия и капиллярные явления

Лекция 12 КХ21. Тема лекции: «Адгезия и капиллярные явления».

Содержание лекции: «Определение терминов адгезия и когезия. Полная работа адгезии. Высота капиллярного поднятия и опускания. Роль адгезии и капиллярных явлений в технологических и природных процессах».

АДГЕЗИЯ

К явлениям адсорбции и смачивания близки также явления адгезии.

Адгезия (прилипание) - это взаимодействие между приведенными в контакт поверхностями конденсиро­ванных фаз разной природы.

Если две взаимно нераство­римые жидкости либо жидкость и твердое тело, либо, наконец, два твердых тела приведены в тесный контакт, то под действием межмолекулярных сил они прочно при­липают друг к другу, так что для их разделения нужно произвести определенную работу.

Как правило, адгезия и смачивание сопутствуют друг другу и соответствующим образом характеризуют межфазное взаимодействие.

Ад­гезия обусловлена стремлением системы к уменьшению поверхностной энергии, следовательно, является само­произвольным процессом.

Работа адгезии W_a- это работа обратимого разры­ва адгезионной связи, отнесенная к единице площади, Дж/м².

Полная работа адгезии, приходящаяся на всю пло­щадь S контакта тел, равна:

W_s = W_a х S.

В некоторых случаях адгезия может оказаться сильнее, чем когезия, то есть сцепление внутри однородного материала. В таких случаях при приложении разрывающего усилия происходит когезионный разрыв, то есть разрыв в объёме менее прочного из соприкасающихся материалов.

Возможны три случая адгезии.

1. Адгезия между двумя жидкостями.

Предположим, что две жидкости 1 и 3 соприкасаются друг с другом и находятся в среде 2. Мысленно отделим их друг от друга (рис.1.). Тогда образуются две поверхно­сти: жидкости 1 с поверхностным натяжением сигма₁₂ , жид­кости 3 с поверхностным натяжением сигма₂₃, а поверхность раздела с поверхностным натяжением сигма_l3 исчезнет.

Рис.1. Изменение межфазных поверхностей при отделении несмешивающихся жидко­стей 1 и 3 в среде 2.

2. Адгезия между жидкостью и твердым телом.

3. Адгезия между твердыми телами.

Работу адгезии в этих случаях невозможно вычислить, так как поверхност­ное натяжение на границе «твердое тело-воздух» обычно неизвестно. Для объяснения адгезии твердого тела к твер­дому телу был предложен ряд теорий, применимых к различным частным случаям, однако универсальной тео­рии до сих пор не существует.

Работу адгезии определяют экспериментально при не­посредственном разрушении соединения или косвенными методами.

Адгезия в значительной степени определяет качество материалов и изделий.

Она также играет большую роль для многих технологических процессов. К таким процессам относятся:

• склеивание материалов;

• нанесение лакокрасочных и гальванических покрытий;

• получение материалов на основе связующих и напол­нителей (бетон, резина, стеклопластики и т.д.);

• сварка и пайка металлов;

• печатание;

• крашение.

При ликвидации аварийных разливов нефти в морскую воду используют нефтесборочные устройства адгезионного типа. В этих сборщиках проявляется свойство нефти прилипать к некоторым материалам – алюминиевым сплавам, определенным пластмассам. Барабаны, диски или ленты из этих материалов опускаются в слой разлитой нефти, а затем прилипшая к ним нефть счищается специальными скребками.

В антикоррозионной защите адгезия лакокрасочного материала к поверхности металла — наиболее важный параметр, влияющий на долговечность покрытия. Адгезия — прилипание лакокрасочного материала к окрашиваемой поверхности, одна из основных характеристик промышленных ЛКМ. Адгезия лакокрасочных материалов может иметь механическую, химическую или электромагнитную природу и измеряется силой отрыва лакокрасочного покрытия на единицу площади подложки. Хорошая адгезия лакокрасочного материала к окрашиваемой поверхности может быть обеспечена лишь при тщательной очистке поверхности от грязи, жира, ржавчины и прочих загрязнений. Для оценки адгезии/когезии приняты и утверждены специальные критерии.

Капиллярные явления в природе и технике.

Капиллярные явления наблюдаются в содержащих жидкость узких сосудах – капиллярных трубках (диаметр менее 1 мм). Также они наблюдаются в пористых телах, поры в которых имеют размеры коллоидных частиц (радиус 1 – 100 нм).

Погрузим в воду часть стеклянной трубки, см. рис.2а. В результате смачивания стекла водой внутри трубки образуется искривленная поверхность – мениск. Давление воздуха над мениском понижено по сравнению с его давлением над плоской поверхностью воды. В результате возникает выталкивающая сила, поднимающая жидкость в капилляре на высоту h до тех пор, пока вес столба не уравновесит выталкивающую силу. Рис.2а иллюстрирует случай для лиофильных поверхностей – вода смачивает чистое стекло.

Рис.2б предназначен для лиофобных поверхностей, когда смачивание отсутствует. Так ведет себя жидкая ртуть в стеклянном капилляре, а также вода в стеклянном капилляре, стенки которого покрыты парафином или жиром. Кривизна поверхности для ртути положительна, т.е. мениск вогнут внутрь. Дополнительное давление направлено внутрь жидкости, в результате жидкость опускается на высоту h.

Рис 2. Капиллярные явления.

Высота h поднятия и опускания жидкости в капиллярах зависит от:

- радиуса трубки R;

- поверхностного натяжения жидкости (сигма);

- краевого угла смачивания (тета), характеризующего кривизну мениска, см. рис.2.

Расчеты показывают, что для очень тонких капилляров высота поднятия воды h может достигать очень больших величин. Так, если радиус капилляров составляет:

10^-1,…, 10^-4, 10^-5 см, то величины высоты поднятия h составят: 1,5см, …, 15м, 150м, соответственно.

Капиллярное поднятие жидкостей объясняет ряд известных явлений и процессов:

- самопроизвольная пропитка бумаги, хлопковых тканей за счет капиллярного поднятия жидкости в порах, образованных волокнами этих материалов;

- подъем воды из почвы по стволам растений происходит благодаря волокнистому строению древесины;

- поднятие глубинных подземных вод в порах - капиллярах, образованных неплотно упакованными частицами грунтов и почв. Оно обеспечивает существование растительного покрова Земли. Для предотвращения высыхания почвы из-за испарения воды с ее поверхности применяют боронование – разрушение капиллярных каналов поверхностного слоя почвы;

- поднятие влаги в стенах зданий, т.е., в так называемых сырых помещениях – это следствие капиллярности стен и фундамента;

- поднятие воды наблюдается между не полностью погруженными в воду параллельными пластинами при их неплотной стыковке;

- процессы кровообращения в кровеносных сосудах;

- водонепроницаемость некоторых тканей обеспечивается их гидрофобностью и как следствие – отрицательным капиллярным поднятием и т. д.

Вопросы 1 – 10 для самоконтроля усвоения знаний к лекции 12 на тему: «Адгезия и капиллярные явления».

1. Дайте определение терминам: адгезия, когезия. Является ли адгезия, как и смачивание, самопроизвольным процессом?

2. Дополните фразу: « Работа адгезии – это …».

3. Назовите три возможных случая адгезии.

4. Приведите примеры технологических процессов, при которых адгезия играет существенную роль.

5. Опишите, как работают нефтесборочные устройства адгезионного типа.

6. Как связаны величина адгезии лакокрасочных покрытий и их долговечность? Можно ли считать, что, чем выше адгезия краски к металлу, тем дольше не разрушается лакокрасочное покрытие?

7. В каких системах наблюдаются капиллярные явления? Укажите размеры радиусов трубок или пор.

8. Для каких поверхностей капилляров наблюдаются поднятие и для каких - опускание жидкостей? Перечислите факторы, определяющие высоту h поднятия и опускания жидкости в капиллярах.

9. Закончите фразу: «Высота поднятия воды h в стеклянном капилляре тем больше, чем радиус капилляра ….(больше или меньше)?

10. Назовите не менее пяти природных или технологических процессов, которые связаны с капиллярным поднятием жидкости.