Лако-красочные материалы — производство

Уравнение Дюпре (11.141) самостоятельно почти не использу­ется для расчета работы адгезии из-за трудности определения поверхностного натяжения твердых тел на границе с газом (воздухом) и жидкостью. Удобную для расчета этой величины форму имеет соотношение, получаемое в результате сочетания уравнения Дюпре с законом Юнга (11.145). Если разность 0з, і—02,з в уравнении Дюпре заменить ее выражением из зако­на Юнга

03,1 02.3= <^2,1 COS 9

Получим

№„=<72,1 + 02,1 cos 9 = a2,i’l+cos 9) (11.147)

Или

№„/<72,1 = 1+ cos 9 (11.148)

Уравнение (11.147) или (11.148) называют уравнением Дюпре — Юнга; оно связывает работу адгезии с краевым уг­лом и позволяет рассчитать работу адгезии, если известны поверхностное натяжение жидкости и краевой угол. Обе эти величины можно сравнительно легко определить эксперимен­тально.

Из уравнения (11.148) четко видно различие между явлени­ями адгезии и смачивания. Разделив обе части уравнения на 2, получим:

№„/№* = (1+ cos 9)/2 (11.149)

Так как смачивание количественно характеризуется косинусом краевого угла, то в соответствии с уравнением (11.149) оно определяется отношением работы адгезии к работе когезии для смачивающей жидкости.

Принципиальное различие между поверхностными явления­ми адгезии и смачивания состоит в том, что смачивание имеет место при наличии трех сопряженных фаз.

Из уравнения (11.149) можно сделать следующие выводы:

1) при 0 = 0 cos 0=1, Wa=WK, т. е. работа адгезии равна работе когезии смачивающей жидкости; 2) при 0 = 90° cos 0 = 0, Wa = 42WK, т. е. работа адгезии в два раза меньше работы коге­зии смачивающей жидкости; 3) при 0=180° cos0 = — 1, Wa = 0, такое состояние на практике не реализуется, поскольку неко­торая адгезия всегда существует, поэтому полного несмачива­ния — в реальных системах также быть не может. Например, одно из самых больших значений краевого угла при смачива­нии водой наблюдается на поверхности фторопласта, соответ­ственно для этой системы характерна и наименьшая адгезия. Учитывая, что краевой угол равен 108°, анг о = 72,0 мДж/м2 (при 25°С), из уравнения (11.148) получим работу адгезии, равную 50,3 мДж/м2 (cos 108° = —0,31).

Большое практическое значение имеет информация, которую ) дают уравнения (11.148) и (11.149). Из них следует, что для увеличения смачивания надо увеличить работу адгезии или уменьшить работу когезии (поверхностное натяжение) жид­кости, например, введением ПАВ, изменением температуры. Лучше смачивает та жидкость, которая имеет меньшее поверх­ностное натяжение или работу когезии. Органические жидкос­ти характеризуются низкими поверхностными натяжениями и поэтому смачивают большинство поверхностей разной природы. Так, углеводороды, для которых а=17—28 мДж/м2, смачивают почти все известные твердые тела. Вода смачивает только по­лярные вещества, а ртуть плохо смачивает или не смачивает большинство (особенно неметаллических) тел.

Адгезия в значительной степени определяется природой функциональных групп молекул контактирующих веществ. На­пример, близкие значения работы адгезии к воде имеют соеди­нения с одинаковыми функциональными группами (в двухфаз­ных системах жидкость — жидкость); изовалериановая (94,6 мДж/м2) и гептиловая (94,8 мДж/м2) кислоты, бензол, толуол (66,6 мДж/м2). Это свидетельствует об ориентировании молекул в поверхностном слое при адгезии. На границе разде­ла фаз в сторону воды обращены гидрофильные группы ука­занных соединений, и они почти полностью обеспечивают адге­зию к воде. Разность между работой адгезии к воде и работой когезии контактирующей с ней жидкости может служить мерой полярности и гидрофильности последней. Например, для непо­лярных гексана и толуола эта разность соответственно равна 3,3 н 6,8 мДж/м2, а для таких полярных соединений, как окти — ловый спирт и гептиловая кислота, соответственно 36,8 я 38,2 мДж/м2.