2.3. Адгезия и смачивание

2.3.1. Основные понятия

Адгезия (прилипание, сцепление, слипание) – поверхностное явление, заключающееся во взаимодействии частиц поверхностных слоев двух конденсированных фаз различной природы. При этом граница раздела фаз сохраняется.

Возможны три случая адгезии: адгезия между двумя жидкостями (ж–ж), между жидкостью и твердым телом (ж–т), между твердыми телами (т–т).

Тело, которое прилипает, называют адгезивом, а к которому осуществляется адгезия – субстратом (или подложкой).

В зависимости от свойств адгезива различают адгезию жидкостей, упруговязкопластичных масс, частиц и пленок.

Адгезия имеет как положительное, так и отрицательное значение. Хорошая адгезия лакокрасочных покрытий определяет их эксплуатационные и потребительские качества. Эффективность инсектицидных препаратов, применяемых для борьбы с сельскохозяйственными вредителями, во многом определяется адгезией капель или частиц этих препаратов к листьям растений. Здесь адгезия играет положительную роль.

В пищевой промышленности отрицательная адгезия связана с прилипанием пищевых масс (тесто, сгущенное молоко, сметана, фарш и т.п.) к стенкам оборудования, что обусловливает производственные потери.

Адгезии сопутствуют такие явления, как аутогезия и когезия. Аутогезия (комкование) – это взаимодействие между однородными конденсированными телами при их молекулярном контакте. Аутогезия частный случай адгезии. Например, аутогезия между частицами сухого молока, кофе. Когезия определяет взаимодействие между молекулами внутри тела в пределах фазы. Когезия характеризует прочность конденсированных тел и их способность противодействовать внешнему усилию.

2.3.2. Работа адгезии и когезии

Адгезия – самопроизвольно протекающий процесс, приводящий к уменьшению свободной поверхностной энергии на величину, характеризующую работу адгезии , т.е. работу, затраченную на отрыв молекул одной фазы от молекул другой фазы:

. (35)

Рассмотрим субстрат 2 и адгезив 3, находящиеся в воздухе 1 (рис. 22а).

Работу адгезии определяют в расчете на единицу площади поверхности контакта двух фаз посредством поверхностного натяжения, как удельной свободной поверхностной энергии. Пусть и – поверхностное натяжение субстрата и адгезива на границе с воздухом соответственно. Тогда суммарная поверхностная энергия системы в начальном состоянии

.

Суммарная поверхностная энергия после нанесения адгезива 3 на субстрат 2 (рис. 22б) станет равной

,

где – поверхностное натяжение на границе раздела субстрата и адгезива.

Изменение поверхностной энергии

.

Тогда согласно (35)

. (36)

Это уравнение выведено Дюпре. Поскольку поверхностное натяжение твердых тел определить экспериментально довольно трудно, уравнение (36) используется только для расчета равновесной работы адгезии жидкости.

Из уравнения Дюпре следует, что работа адгезии тем больше, чем больше поверхностные натяжения субстрата и адгезива и чем меньше конечное межфазное натяжение. Чем больше работа адгезии, тем сильнее сцепление поверхностей двух контактирующих фаз. Если поверхность субстрата имеет шероховатость, то это увеличивает силы адгезионного взаимодействия. При интенсивном взаимодействии частиц субстрата и адгезива молекулы поверхностных слоев проникают в противоположные фазы. В предельном случае граница раздела исчезает.

На практике часто возникают две противоположные задачи: увеличение и снижение адгезии. Повышение сцепления частиц необходимо при склеивании, покрытии поверхностей краской и т.д. Для повышения адгезии необходимо увеличить поверхностное натяжение субстрата на границе с воздухом ₂₁. Это достигается удалением оксидной пленки с окрашиваемой поверхности, обезжириванием склеиваемых поверхностей и т.д. Для понижения адгезии, например, для предотвращения пригорания хлеба нужно, наоборот, снизить ₂₁. Для этого поверхность формы покрывают антипригарным покрытием или смазывают маслом, которое обладает низким поверхностным натяжением.

О пределим равновесную работу когезии. После нарушения когезии тела 2 по линии АА (рис. 23а) образуются две поверхности, соприкасающиеся со средой 1. Равновесная работа когезии будет равна удвоенному значению поверхностного натяжения двух образовавшихся поверхностей

. (37)