4. Связь работы адгезии с краевым углом

(слайд )

Адгезия – связь между жидкой и твердой фаз на границе раздела.

А оценивают работой, которую надо затратить для отрыва жидкости от поверхности твердого тела.

Когезия – это связь между молекулами в объеме жидкой фазы.

Адгезия – результат стремления системы к уменьшению поверхностной энергии ® адгезия – самопроизвольный процесс.

Работа адгезии Wа характеризует прочность адгезионной связи (мДж/м2)

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

Ws = Wа × S (4)

Для того, чтобы получить соотношение между работой адгезии и поверхностными натяжениями взаимодействующих компонентов, примем их площади единичными.

При совмещении адгезива и субстрата поверхностная энергия Гиббса системы уменьшится на величину, равную работе адгезии

DG + Wa = 0 или Wa= -DG (5)

где DG – изменение поверхностной энергии Гиббса системы

Для начального и конечного состояния системы имеем:

Gнач= σт.г. + σж.г. и Gкон= σт.ж.

DG = Gкон – Gнач = σт.ж. - σт.г. - σж.г.

Wa = σт.г. + σж.г. - σт.ж. - уравнение Дюпре (6)

Уравнение Дюпре отражает закон сохранения энергии при адгезии - работа адгезии тем больше, чем больше поверхностное натяжение контактирующих фаз и чем меньше конечное межфазное состояние.

Wа = σт.г. + σж.г. - σт.ж.

σт.г. = σт.ж. + σж.г. cos θ0

Wа = σт.ж. + σж.г. cos θ0 + σж.г. - σт.ж.

Wа = σж.г. (1+ cos θ0) (7)

Уравнение Дюпре-Юнга –

связывает Wа с θ0 , позволяет рассчитать Wа , если известны σж-г и θ0 .

Чем меньше θ0, тем больше Wа жидкости к твердому телу и лучшее растекание.

При θ0= 0 cos θ0=1, Wа = 2 σж-г ,

т.е. адгезия жидкости к твердому тел равна когезии жидкости

Wк= 2 σж-г (8)

Если из уравнения (7) выразить cos θ0,

то cos θ0 = (Wа/ σж.г.) – 1 (9)

Из (8) σж.г.= W к/2 (10)

Wа/Wк = (1 + cos θ0)/2 (11)

cos θ₀= (2 Wа/Wк) -1 = (2 Wа- W к)/ W к (12)

Так как смачивание характеризуется количественно cos θ0 , то в соответствии с уравнениями (11, 12) оно определяется отношением работы адгезии к работе когезии.

(слайд )Условия:

Несмачивание

Wа < ½ Wк

(при Wа = ½ W к , θ0= 90о, cos θ0 = 0)

Смачивание

Wа > ½ Wк

(при Wа = ½ W к , θ₀= 90^о, cos θ₀ = 0)

Полное смачивание

Wа > Wк

(при Wа = Wк , θ₀= 0о , cos θ₀ = 1)

cos θ₀ = (Wа/ σж.г.) – 1 (слайд)

Wа/Wк = (1 + cos θ₀)/2

Из этих уравнений следует, что для улучшения смачивания надо увеличить работу адгезии или уменьшить работу когезии (поверхностное натяжение лакокрасочного материала). Адгезия в значительной степени определяется природой функциональных групп молекул контактирующих веществ.

Поверхностные явления, протекающие на стадии формирования адгезионного контакта, оказывают определяющее влияние на адгезионные свойства получаемых покрытий. В процессе отверждения жидкий слой лакокрасочного покрытия переходит в твердое состояние, что означает качественное изменение агрегатного состояния адгезионной системы подложка-покрытие.

В этом случае уравнение Дюпре имеет вид Wа = σ_т1.г. + σ_т2._г. – σ_т1.т2 ,

где σт1.г. – поверхностное натяжение подложки;

σт2.г. – поверхностное натяжение лакокрасочного покрытия;

σ т1.т2 – поверхностное натяжение на границе раздела покрытие-подложка.

В данное уравнение две новые величины σ_т2.г. σ_т1.т2., это в конечном итоге является причиной несовпадения работы адгезии жидкого ЛКМ и отвержденного покрытия. В большинстве случаев адгезия покрытия возрастает с увеличением работы адгезии жидкого материала. Поэтому в случае хорошего смачивания поверхности подложки ЛКМ-ом, высокой работы адгезии получаются ЛКП с высокой адгезионной прочностью.