Адгезія, робота адгезії
Адгезія - зв'язок між поверхневими шарами різнорідних тіл, наведених у зіткнення; види. Робота адгезії, деформація компонентів системи. Механізм та стадії процесів адгезії. Зв'язок роботи адгезії із крайовим кутом. Когезійні та поверхневі сили.
Надіслати свою гарну роботу до бази знань просто. Використовуйте форму нижче
Студенти, аспіранти, молоді вчені, які використовують базу знань у своєму навчанні та роботі, будуть вам дуже вдячні.
Розміщено на http://www.allbest.ru/
Адгезія та робота адгезії
Адгезія, змочування та розтікання відносяться до міжфазних взаємодій, що відбуваються між конденсованими фазами. Міжфазна взаємодія або взаємодія між наведеними в контакт поверхнями конденсованих тіл різної природи називають адгезією (прилипанням). Адгезія забезпечує між двома тілами з'єднання певної міцності, зумовлене міжмолекулярними силами.
Розрізняють адгезію між двома рідинами, між рідиною та твердим тілом та між двома твердими тілами. Очевидно, що змочування та розтікання припускають наявність хоча б однієї з фаз у рідкому стані та обумовлені адгезійною взаємодією. Адгезії між двома твердими тілами майже завжди сприяє попередній переведення хоча б однієї з фаз рідкий стан для збільшення інтенсивності молекулярно-кінетичного руху і здійснення необхідного контакту. Тому, як правило, адгезія та змочування супроводжують один одного і відповідним чином характеризують міжфазну взаємодію.
Через складність протікають процесів міжфазні явища, що розглядаються в даному розділі, досі недостатньо вивчені. Тому основну увагу буде приділено системам, у яких є хоча бодна рідка фаза, що дозволяє забезпечувати рівноважні оборотні умови та відповідна використовувати термодинамічні співвідношення.
Адгезія - результат прагнення системи зменшення енергії. Тому адгезія є мимовільним процесом. Робота адгезії Wa, що характеризує міцність адгезійного зв'язку, визначається роботою оборотного розриву адгезійного зв'язку, що віднесена до одиниці площі. Вона вимірюється у тих самих одиницях, як і поверхневий натяг (Дж/м 2 ). Повна робота адгезії, що припадає на всю площу контакту тіл s, дорівнює
Щоб отримати співвідношення між роботою адгезії і поверхневими натягами взаємодіючих компонентів, уявімо дві конденсовані фази 2 н 3, мають поверхні на кордоні з повітрям 1, рівні одиниці площі. Це можуть бути дві рідини або рідина та тверде тіло. Для спрощення висновку вважатимемо, що вони взаємно нерозчинні. При поєднанні цих поверхонь, тобто при нанесенні однієї речовини інші, відбувається адгезія. Оскільки система залишиться двофазною, то виникне міжфазний натяг, що дорівнює у2,3. Через війну початкова енергія Гіббса системи зменшується на величину, рівну роботі адгезії, тобто.
Для початкового та кінцевого станів системи маємо
де у2,1, у 3,1, у2,3- відповідно поверхневий натяг другого і третього тіла на кордоні з газом і міжфазний натяг на кордоні другого тіла з третім.
Це рівняння Дюпре. Воно відбиває закон збереження енергії при адгезії. З нього випливає, що робота адгезії тим більша, чим більші поверхневі натяги вихідних компонентів і чим менше кінцеве міжфазне натяг. У той самий час що більше робота адгезії, т. е. міжфазна взаємодія, тим більшеменше міжфазний натяг. Міжфазний натяг стане рівним нулю, коли зникне міжфазна поверхня, що відбувається при повному розчиненні фаз.
Таким чином, умова розчинення полягає в тому, що робота адгезії між взаємодіючими тілами повинна дорівнювати або більше середнього значення суми їх робіт когезії. Очевидно, що тут не враховується ентропія змішування, що сприяє розчиненню.
Відповідним чином міжфазний натяг залежить від температури. Якщо з підвищенням температури взаємна розчинність фаз підвищується, міжфазний натяг зменшується. Якщо ж взаємна розчинність фаз із підвищенням температури зменшується, то міжфазний натяг збільшується. Така залежність спостерігається і для міжфазного кордону рідина – тверде тіло. Таким чином, похідна da/dT для межі розділу конденсованих фаз може бути меншою, більшою і дорівнює нулю.
Так як зменшення міжфазного натягу пов'язане з тенденцією до вирівнювання складу фаз, воно може знизитися до нуля при досягненні верхньої або нижньої критичної температури, т. с. при повному взаємному розчиненні фаз.
p align="justify"> Від роботи адгезії необхідно відрізняти адгезійну міцність Wn - роботу, витрачену на руйнування адгезійної сполуки. Ця величина відрізняється тим, що до неї входить як робота розриву міжмолекулярних зв'язків (робота Wa), так і робота, витрачена на деформацію компонентів адгезійної сполуки (робота деформації Wдеф):
Очевидно, чим міцніше адгезійне з'єднання, тим більшою мірою піддаються деформації компоненти системи на момент її руйнування. Робота деформації іноді може перевищувати оборотну роботу адгезії у кілька разів. Зі зростанням швидкості застосування навантаження на систему роль деформації зростає.
Механізмпроцесів адгезії
Процес утворення адгезійного зв'язку зазвичай поділяють на дві стадії. На першій, так званій транспортній стадії, відбувається переміщення молекул адгезиву (клеючої речовини, що сполучає) до поверхні субстрату (тіло, на яке наноситься адгезив) та їх певне орієнтування у міжфазному шарі, внаслідок чого забезпечується тісний контакт між молекулами та функціональними групами молекул адгезиву. та субстрату. Протіканню першої стадії процесу адгезії сприяють підвищення температури та тиску, а також переведення однієї з фаз (зазвичай адгезиву) в рідкий стан розчиненням або плавленням. Більш тісний контакт між адгезивом та субстратом досягається після ретельного очищення взаємодіючих поверхонь.
Друга стадія адгезії полягає у безпосередній взаємодії адгезиву і субстрату, яка може бути зумовлена різними силами - від ван-дер-ваальсових до хімічних. Сили ковалентних зв'язків починають діяти на відстанях між атомами та молекулами, що не перевищують 0,5 нм. Дія іонних і ван-дер-ваальсових сил проявляється на більш далеких відстанях - приблизно від 1 до 100 нм. Звідси чітко видно необхідність першої стадії адгезії.
Міжмолекулярною взаємодією контактуючих фаз завершуєте процес адгезії, що відповідає мінімально міжфазної (поверхневої) енергії. При склеюванні твердих тіл на цій стадії відбувається затвердіння адгезиву. Затвердіння найважче піддається кількісному опису.
Постадійний розгляд процесу адгезії дозволяє зробити висновок, що між двома рідинами або рідиною і твердим тілом може бути досягнуто максимальної адгезії, так як між такими фазами забезпечується повний контакт. Максимальна адгезія твердих тілпрактично недосяжна через нерівність їх поверхонь, дотик яких відбувається лише окремих точках.
Розрізняють кілька механізмів (і відповідно теорій адгезії) залежно від природи тіл, що взаємодіють, і умов, за яких відбувається адгезія.
Механічна адгезія здійснюється шляхом затікання в пори та тріщини поверхні твердого тіла рідкого адгезиву, який потім твердне, забезпечуючи механічне зачеплення з твердим тілом. Згідно з молекулярним (адсорбційним) механізмом адгезія виникає під дією міжмолекулярних ван-дер-ваальсових сил і водневих зв'язків. Для такої адгезії докладно відоме правило подібності речовин по полярності: що ближче по полярності адгезив і субстрат, то міцніший контакт між ним.
Електрична теорія пов'язує адгезію з появою подвійного електричного шару межі розділу між адгезивом і субстратом. Відшаровування, як і розсування обкладок конденсатора, викликає збільшення різниці електричних потенціалів, що обумовлює міцність адгезійного контакту. Дифузійний механізм передбачає взаємне проникнення молекул та атомів у поверхневі шари взаємодіючих фаз. Процес дифузії призводить як би до розмивання межі розділу фаз, взаємного їх розчинення у місцях контакту. Окремо виділяється механізм, зумовлений хімічною взаємодією при адгезії. У конкретних умовах один із механізмів може переважати, частіше ж механізм адгезії є змішаним.
Теоретична оцінка адгезії також дуже наближена, що пояснюється не тільки недосконалістю рівнянь, за якими розраховуються сили міжмолекулярних зв'язків, але й тим, що неможливо оцінити реальну кількість зв'язків, що припадає на одиницю площі (воно завжди меншетеоретичного, що говорить про можливість збільшення міцності з'єднання). Крім того, важко оцінити справжню площу контакту фаз, яка може бути набагато більше візуально спостерігається завдяки наявності шорсткості в поверхневому шарі. Для забезпечення міцності з'єднання шорсткість часто збільшують шляхом спеціальної обробки поверхонь матеріалів. Роботу адгезії та адгезійну міцність експериментально визначають при безпосередньому руйнуванні сполуки. Роботу адгезії можна визначити і опосередкованими методами, які особливо зручні, якщо хоча б однією з взаємодіючих фаз є рідина і можна виміряти, наприклад, крайовий кут.