Лако-красочные материалы — производство

Адгезия, смачивание и растекание относятся к — межфазным взаимодействиям, которые происходят между конденсирован­ными фазами. Межфазное взаимодействие, или взаимодействие между приведенными в контакт поверхностями конденсирован­ных тел разной природы, называют адгезией (прилипанием). Адгезия обеспечивает между двумя телами соединение опреде­ленной прочности, обусловленное межмолекулярными силами.

Различают адгезию между двумя жидкостями, между жид­костью и твердым телом и между двумя твердыми телами. Оче­видно, что смачивание и растекание предполагают наличие хо­тя бы одной из фаз в жидком состоянии и обусловлены адге­зионным взаимодействием. Адгезии между двумя твердыми те­лами почти всегда способствует предварительный перевод хотя бы одной из фаз в жидкое состояние для увеличения интенсив­ности молекулярно-кинетического движения и осуществления необходимого контакта. Поэтому, как правило, адгезия и сма­чивание сопровождают друг друга и соответствующим обра­зом характеризуют межфазное взаимодействие.

Явления адгезии и смачивания широко распространены как в природе, так и в различных отраслях народного хозяй­ства. Склеивание материалов, нанесение лакокрасочных и не­органических покрытий, получение материалов на основе свя-

Рис. 11.18. К выводу соотношения между

Работой адгезии и поверхностными натяже — <у„

Ниямн взаимодействующих компонентов —-

(уравнения Дюпре): 2 1 — газ; 2 — жидкость; 3 — твердое тело

Зующих и наполнителей (бетон, резина, стеклопластики и т. п.),. сварка и паяние металлов, печатание, крашение — все эти процессы связаны с адгезией и смачиванием, которые в значи­тельной степени определяют качество материалов и изделий.

Из-за сложности протекающих процессов рассматриваемые в данном разделе межфазные явления до сих пор недостаточно изучены. Поэтому основное внимание будет уделено системам, в которых имеется хотя бы одна жидкая фаза, что позволяет обеспечивать равновесные обратимые условия и соответственно использовать термодинамические соотношения.

Адгезия — результат стремления системы к уменьшению по­верхностной энергии. Поэтому адгезия является самопроиз­вольным процессом. Работа адгезии Wa, характеризующая прочность адгезионной связи, определяется работой обратимо­го разрыва адгезионной связи, отнесенной к единице площади. Она измеряется в тех же единицах, что и поверхностное натя­жение (Дж/м2). Полная работа адгезии, приходящаяся на всю площадь контакта тел S, равна

Ws=WAS

Чтобы получить соотношение между работой адгезии и по­верхностными натяжениями взаимодействующих компонентов, представим себе две конденсированные фазы 2 и 3, имеющие поверхности на границе с воздухом /, равные единице площа­ди (рис. 11.18). Это могут быть две жидкости или жидкость и твердое тело. Для упрощения вывода будем считать, что они взаимно нерастворимы. При совмещении этих поверхностей, т. е. при нанесении одного вещества на другое, происходит ад­гезия. Так как система останется двухфазной, то возникнет межфазное натяжение, равное о2,з. В результате первоначаль­ная энергия Гиббса системы уменьшается на величину, равную работе адгезии, т. е.

&.G + Wa = 0 или Г„=— Ag (11.140)

Для начального и конечного состояний системы имеем

Снач= 02Л+ОзЛ Н С„он=02,3

Где о2.ь а3>1 и 02,3 — соответственно поверхностное натяжение второго и — Третьего тела на границе с газом и межфазное натяженне на границе вто-^ рого тела с третьим.

Изменение энергии Гиббса системы в процесе адгезии равно AG = Gkoh — G на ч = 02,3 — 02. і — Оз. І

Или с учетом (11.140)

= 02,1 + 03,1 — а2.з <11.141 V

Это уравнение Дюпре. Оно отражает закон сохранения энергии при адгезии. Из него следует, что работа адгезии тем больше, чем больше поверхностные натяжения исходных ком­понентов и чем меньше конечное межфазиое натяжение. В то же время чем больше работа адгезии, т. е. межфазное взаимо­действие, тем меньше межфазное натяжение. Межфазное на­тяжение станет равным нулю, когда исчезнет межфазная по­верхность, что происходит при полном растворении фаз. Усло­вие растворения следует из уравнения (11.141):

Wa > o2,i + а3.[ (11.142)

Учитывая выражение (11.14), получим:

20^+ 203,, + Rfe3 … wa>—— 2 ~ 2 (11.14d>

Где Wki И Wk3 — работа когезии тел 2 и 3 соответственно.

Таким образом, условие растворения состоит в том, что работа адгезии между взаимодействующими телами должна быть равна или больше среднего значения суммы их работ когезии. Очевидно, что здесь не учитывается энтропия смеше­ния, которая способствует растворению.

Соответствующим образом межфазное натяжение зависит и от температуры. Если с повышением температуры взаимная растворимость фаз повышается, то межфазное натяжение уменьшается. Если же взаимная растворимость фаз с повыше­нием температуры уменьшается, то межфазное натяжение уве­личивается. Такая зависимость наблюдается и для межфазнои границы жидкость — твердое тело. Таким образом, производная Da/DT для границы раздела конденсированных фаз может быть меньше, больше и равна нулю.

Так как уменьшение межфазного натяжения сопряжено с тенденцией к выравниванию состава фаз, то оно может сни­зиться до нуля при достижении верхней или нижней критичес­кой температуры, т. е. при полном взаимном растворении фаз.

От работы адгезии необходимо отличать адгезионную проч­ность Wn — работу, затраченную на разрушение адгезионного — соединения. Эта величина отличается тем, что в нее входит как работа разрыва межмолекулярных связей (работа Wa), так и работа, затраченная на деформацию компонентов адгезионного соединения (работа деформации №деф):

Г„ = 1га+1гдеф (11.144)

Очевидно, чем прочнее адгезионное соединение, тем в боль­шей степени подвергаются деформации компоненты системы
к моменту ее разрушения. Работа деформации иногда может превышать обратимую работу адгезии в несколько раз. С рос­том скорости приложения нагрузки на систему роль деформа­ции возрастает.