2.2 Коэффициенты поверхностного натяжения (к.П.Н.) на границах раздела разных сред. Формула Юнга. Гидрофильные и гидрофобные субстраты

Для этого определим, что такое поверхностная энергия и поверхностное натяжение, рассматривая не просто поверхности тел, а поверхность раздела двух контактирующих сред (жидкость-газ, твёрдое тело-жидкость и твёрдое тело-газ).

Очевидно, что молекулы расположенные вблизи поверхности раздела, в тонком поверхностном слое находятся в условиях, отличных от условий внутри тела. Молекулы внутри тела окружены со всех сторон себе подобными, молекулы вблизи поверхности имеют одинаковых с ними соседей лишь с одной стороны. Это влияет на характер взаимодействия каждой из них со своим окружением и приводит к тому, что потенциальная энергия^ молекул в поверхностном слое больше их потенциальной энергии внутри тела.

Разность между энергией всех молекул (обеих сред) вблизи поверхности раздела и той энергией, которую эти молекулы имели бы, если бы они находились внутри тела, называется поверхностной энергией (U_пов). Поверхностная энергия определяет избыток потенциальной энергии, характерный для молекул формирующих поверхность раздела.

Очевидно, что поверхностная энергия пропорциональна площади поверхности раздела S, т.е.:

U _пов = S (1)

В формуле (1) коэффициент  > 0, при данной температуре он зависит от природы соприкасающихся сред и их состояния и называется коэффициентом поверхностного натяжения, иногда  называют просто поверхностным натяжением.

Коэффициент поверхностного натяжения – поверхностная энергия, приходящаяся на единицу площади поверхности раздела (). Размерность  в СИ-Дж/м² или н/м.

Рассмотренные представления иллюстрируются поведением жидкости на границе раздела жидкость  воздух.

Коэффициент поверхностного натяжения на границе жидкостьвоздух _жг (обычно его называют коэффициентом поверхностного натяжения жидкости) легко измеряется, и его значения приведены во многих руководствах и справочниках. Поверхностное натяжение существует, конечно, и на границе твёрдых тел с газом (_тг) или жидкостью (_тж). Как будет показано ниже, значения этих величин важны при анализе адгезии, но способы их измерения пока не созданы.

Вернемся к явлению смачивания, которое определяется краевым углом смачивания. Можно показать, что его значения получаются из формулы (2):

cos  = (2)

В теории адгезии формула (2) называется уравнением Юнга.

Очевидно, что величина краевого угла зависит только от природы трех соприкасающихся сред (от поверхностных натяжений на их границах). Сразу отметим, что поверхностные натяжения, а значит и угол , очень чувствительны к состоянию поверхностей раздела, к их чистоте. Присутствие на поверхности материала загрязняющих веществ (адсорбированных слоёв влаги, пыли, посторонних частиц и др.) будет препятствовать образованию прочной связи, поскольку адгезия между загрязнителем и поверхностью твердого тела сама по себе является слабой. Более того, загрязнитель препятствует проникновению адгезивов в субстрат. Непременное условие хорошей адгезии – чистота соприкасающихся поверхностей.

Гидрофильные и гидрофобные субстраты. При рассмотрении адгезии среди жидкостей выделяют воду. По величине краевого угла все поверхности, контактирующие с водой, принято делить на две группы. Если 0^о    90^о, то такие поверхности называют гидрофильными, если   90^о  гидрофобными.

Обобщая этот вывод можно утверждать, что для получения достаточно прочной адгезионной связи, адгезив должен быть совместим с субстратом в только что рассмотренном смысле: гидрофобный (не смачиваемый водой) полимер не склеится с гидрофильной поверхностью. Именно поэтому адгезив – системы для эмали и дентина различны.