3812

31

Лабораторная работа № 7

Тема: ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРАЕВОГО УГЛА СМАЧИВАНИЯ ДРЕВЕСИНЫ И

ДРЕВЕСНЫХ МАТЕРИАЛОВ РАЗЛИЧНЫМИ ЖИДКОСТЯМИ

Цель работы: ознакомление с понятиями смачивания, поверхностного натяжения, адгезии, когезии; экспериментальное определение краевого угла смачивания поверхности древесины и древесных материалов; расчет краевого угла смачивания; выводы из работы.

Теоретическая часть

Смачивание – это явление, возникающее при соприкосновении жидкости с поверхностью твердого тела или другой жидкости. Оно выражается, в частности, в растекании жидкости по твердой поверхности, находящейся в контакте с газом (паром) или другой жидкостью, пропитывании пористых тел и порошков, искривлении поверхности жидкости у поверхности твердого тела. Так, смачивание вызывает образование сферического мениска в капиллярной трубке, определяет форму капли на твердой поверхности или форму газового пузырька, прилипшего к поверхности погруженного в жидкость тела. Смачивание часто рассматривают как результат межмолекулярного (Ван-дер-Ваальсова) взаимодействия в зоне контакта трех фаз (тел, сред). Тепловой эффект, сопровождающий соприкосновение жидкости со смачиваемой поверхностью, называется теплотой смачивания.

Смачивание имеет важное значение в природе, промышленной технологии, быту. Хорошее смачивание необходимо при пропитке волокнистых материалов, склеивании, нанесении лакокрасочных покрытий, крашении и стирке, обработке фотографических материалов, пайке, амальгамировании и т.д. Снизить смачивание до минимума стремятся при получении гидрофобных покрытий, гидроизоляционных материалов и др. В некоторых случаях, например при флотации и эмульгировании твердыми эмульгаторами, требуется сохранение краевых углов в определенном интервале значений. Смачивание играет первостепенную роль в металлургических процессах, при диспергировании твердых тел в жидкой среде. Оно влияет на распространение грунтовых вод, увлажнение почв, разнообразные биологические и другие природные процессы. В развитие теории и разработку прикладных вопросов смачивания большой вклад внесли П.А. Ребиндер, А.Н. Фрумкин, Б.В. Дерягин и др.

32

В технологических процессах отделки древесины преобладают операции, связанные с обработкой поверхности жидкими материалами, т.е. происходит необходимый процесс смачивания. Смачивание древесины – это условие ее взаимодействия с отбеливающими и красящими составами при проявлении текстуры древесины и при других операциях с образованием равномерных по толщине покрытий.

Характер смачивания жидкостью твердой поверхности определяется соотношением молекулярных взаимодействий в твердой и жидкой фазах и между фазами; характеристиками этих взаимодействий являются значения удельных свободных поверхностных энергий (поверхностного натяжения на границах раздела твердое тело-газ тг, жидкость-газ жг и твердое тело-жидкость тж), а также связанные с ними значения работы когезии (WК) жидкости

В зависимости от соотношения работ адгезии и когезии устанавливается то или иное равновесное значение краевого угла смачивания (тэта) по уравнению Юнга

где тг – вектор поверхностного натяжения между твердым телом и газом,тж – вектор поверхностного натяжения между жидкостью и твердым телом;жг – вектор поверхностного натяжения между жидкостью и газом.

Краевой угол смачивания является количественной мерой смачивания. Смачивание неоднородных, пористых или шероховатых поверхностей со-

провождается запиранием пузырьков воздуха в неровностях. В результате этого краевые углы смачивания сухой и предварительно увлажненной поверхностей различаются. Такое явление носит название «гистерезис смачивания». «Гистерезис смачивания» проявляется также при загрязнении поверхности, в результате чего она становится неоднородной при закреплении на ней твердых частиц или жировых пленок.

Можно отметить, что если краевой угол смачивания гладкой поверхности, например, полимерной пленки, меньше 90о, то шероховатость уменьшает его, если же он больше 90о, то шероховатость его увеличивает.

33

Адгезия, смачивание и растекание относятся к межфазным взаимодействиям, происходящим между конденсированными фазами (в системах жидкость – твердое тело, жидкость – жидкость, твердое тело – твердое тело).

Термин «Адгезия» происходит от латинского adhaesio – прилипание. В справочной литературе адгезия трактуется как слипание разнородных твердых или жидких тел (фаз), соприкасающихся своими поверхностями.

Следовательно, адгезионные процессы происходят за счет межфазного взаимодействия или взаимодействия между контактирующими поверхностями конденсированных тел разной природы. Прочность прилипания обусловлена межмолекулярными силами.

Смачивание и растекание предполагает наличие в системе хотя бы одной жидкой фазы. Данные процессы могут быть обусловлены адгезионными взаимодействиями. Адгезия между твердыми телами возможна при предварительном переводе одной из фаз в жидкое состояние для повышения интенсивности молекулярно-кинетического движения с целью осуществления необходимого контакта. Поэтому чаще всего адгезия и смачивание сопровождают друг друга и соответствующим образом характеризуют межфазное взаимодействие.

Явления адгезии и смачивания широко распространены в природе и в различных технологических процессах: склеивание материалов, нанесение лакокрасочных и неорганических покрытий, получение материалов на основе связующих и наполнителей (бетон, резина, стеклопластики и др.), сварка и паяние металлов, печатание, крашение. Все эти процессы связаны с адгезией и смачиванием, которые в значительной степени определяют качество материалов и изделий.

Более изучены системы, в которых имеется по меньшей мере одна жидкая фаза, что позволяет обеспечивать равновесные обратимые условия и, соответственно, использовать термодинамические соотношения.

Адгезия сопровождается уменьшением поверхностной энергии, т.е. это процесс самопроизвольный. Работа адгезии WА характеризует прочность адгезионной связи. Она определяется работой обратимого разрыва адгезионной связи, отнесенной к единице площади S. Работа адгезии WА измеряется в Дж/м2.

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

равна

34

Каково соотношение между работой адгезии и поверхностным натяжением взаимодействующих компонентов? Для демонстрации этого процесса возьмем две системы: жидкость-жидкость и жидкость-твердое тело. Допускаем, что они взаимно нерастворимы. При нанесении одного вещества на другое происходит адгезия. Возникает межфазное натяжение (система остается двухфазной). В результате свободная энергия Гиббса системы ( G) уменьшается на величину, равную работе адгезии:

где жг, тг, жт - соответственно поверхностное натяжение второго (2) и третьего тела (3) на границе с газом (1) и межфазное натяжение на границе второго тела с третьим.

Изменение свободной энергии Гиббса системы в процессе адгезии равно

где Gкон, Gнач – конечное и начальное значения свободной энергии Гиббса. Соотношение между работой адгезии и поверхностным натяжением

взаимодействующих компонентов (1 - газ; 2 - жидкость; 3 - твердое тело) описывается, с учетом уравнения (5), уравнением Дюпре:

Это уравнение отражает закон сохранения энергии при адгезии (закон Дюпре). Из закона Дюпре следует, что работа адгезии тем больше, чем выше поверхностное натяжение исходных компонентов и чем меньше конечное меж-

35

фазное натяжение. С другой стороны, чем больше работа адгезии, тем меньше межфазное натяжение. Межфазное натяжение становится равным нулю в том случае, когда исчезает межфазная поверхность, т.е. при полном растворении фаз, когда

Межфазное натяжение зависит от температуры. При повышении температуры взаимная растворимость фаз может увеличиваться, тогда межфазное натяжение уменьшается. Возможно также уменьшение взаимной растворимости фаз, тогда межфазное натяжение увеличивается. Такая же зависимость наблюдается и для межфазной границы жидкость - твердое тело. Отсюда вывод, что производная d /dT для границы раздела конденсированных фаз может быть больше, меньше или равна нулю. Последнее сопровождается выравниванием состава фаз при полном взаимном растворении фаз.

Кроме понятия работа адгезии (WА) существует понятие адгезионная прочность (Wп) – это работа, затраченная на разрушение адгезионного соединения. Величина Wп состоит из работы разрыва межмолекулярных связей (работа WА) и работы, затраченной на деформацию компонентов адгезионного соединения, т.е. работы деформации (Wдеф):

Чем прочнее адгезионное соединение, тем в большей степени подвергаются деформации компоненты системы к моменту ее разрушения. В некоторых случаях Wдеф >> WА. С возрастанием скорости приложения нагрузки на систему роль деформации растет.

Существует несколько теорий адгезии.

Адсорбционная теория адгезии получила наиболее широкое распространение. Суть ее заключается в том, что между поверхностями адгезива и субстрата при достаточно близком расстоянии возникают межатомные и межмолекулярные силы. Наиболее часто возникают Ван-дер-Ваальсовы, водородные связи, но могут образовываться и гораздо более сильные ковалентные, ионные или металлические связи. Не исключена возможность межфазного донорноакцепторного взаимодействия. В табл. 4 приводятся виды связей, образующихся при адгезии по адсорбционной теории, и диапазоны энергий, характерных для этих связей.

верхностного слоя, затрачиваемая на образование двух новых поверхностей за счет разделения фаз с площадью контакта 1 см3. Работа адгезии выражается через величины поверхностных натяжений на границе фаз. Математическим выражением смачиваемости является закон Юнга (3).

Поведение жидкости на поверхности твердого тела зависит от соотношения величины поверхностного натяжения на границе фаз. При равновесии все составляющие поверхностной энергии можно выразить с помощью векторов сил. На рис.3 показаны две возможности растекания капли жидкости на твердой поверхности. На рис. 3а показана капля жидкости, самопроизвольно растекающаяся на поверхности, когда тг > тж. Во втором случае (рис. 3б) жидкость не смачивает твердую поверхность тг < тж.

тг

тж

Суммируя уравнение Дюпре (7) (WА = жг + тг – жт) и уравнение Юнга (3) (тг = тж + жг cos ), получаем

Используя это уравнение, можно вычислить WА по экспериментальнымжг и cos . Угол измеряют путем проецирования увеличенного изображения капли жидкости на экран. Для измерения краевого угла смачивания можно использовать также катетометр – прибор для точного измерения интервала между двумя точками на расстоянии. По основным параметрам капли (высота, радиус параметра контакта) рассчитывают краевой угол.

Когезия – взаимодействие между собой молекул в объеме материала. Когезионное взаимодействие противодействует разрушению материала.

Для неполярных жидкостей работа когезии мала, она определяется неспецифическими дисперсионными взаимодействиями при смачивании такими жидкостями большинства поверхностей. Смачивание твердого тела полярной жидкостью, например водой, как правило хорошее при наличии на твердой поверхности гидрофильных фаз. Роль сродства между жидкостью и твердой поверхностью проявляется при избирательном смачивании. Краевой угол в этом случае отсчитывается внутри более полярной жидкости. Изучение избирательного смачивания в системе вода – жидкий углеводород («масло») – твердая поверхность дает характеристику гидрофильности и гидрофобности (олеофильности) поверхности: при < 90o поверхность является гидрофильной, при > 90о

– гидрофобной (олеофильной).

38

Работа когезии (WК) определяется как работа, необходимая для разрыва однородной объемной фазы (уравнение (1)).

Адгезионные силы стремятся растянуть каплю, в то время как силы когезии оттягивают каплю до полусферы, препятствуя растеканию.

При растекании жидкости по твердой поверхности работа адгезии (WА) больше работы когезии (WК).

Вода не смачивает парафин и другие неполярные вещества, поскольку между молекулами этих веществ и молекулами воды слабые межмолекулярные взаимодействия и, следовательно, WК для воды велика. Гептан, этиловый спирт, бензол и другие жидкости с низким значением жг и WК смачивают практически любую твердую поверхность.

Адгезия и когезия – два конкурирующих процесса.

Соотношение между работой адгезии (WА) и когезии (WК) при склеивании определяет технологичность процесса.

Реактивы и оборудование

1.Диапроектор.

2.Подложка – образцы древесных материалов: натуральная древесина, шпоны, ДВП, ДСтП, фанера, МДФ и др.

3.Набор адгезивов: вода, смолы, клеи, лаки и др.

4.Колбы.

5.Пипетки.

Экспериментальная часть

Порядок проведения эксперимента

Для измерения краевого угла смачивания образцов в данной работе используется метод жидкой капли, основанный на измерении краевого угла капли жидкости на поверхности твердого тела.

В работе имеются несколько возможных вариантов жидкостей и подложек. Для измерений на подложку пипеткой наносят каплю адгезива. Каплю выдерживают некоторое время при определенной температуре для ее растекания на твердой поверхности и установления равновесного краевого угла смачивания, после чего проводят измерения. Для измерений используется экспериментальная установка, схема которой приведена на рис. 4.

Контур капли, помещенной между линзой и источником света диапроектора (рис. 4), проектируют на экран, получая увеличенное изображение капли исследуемой жидкости на поверхности материала в 15 раз. К зарисованному на листе бумаги контуру в точке ее соприкосновения с твердой поверхностью около границы раздела трех фаз проводят касательную в сторону жидкой фазы и при помощи обычных угломерных устройств определяют краевой угол смачивания образца.

Для более точного определения краевых углов смачивания используют метод, согласно которому измеряют высоту капли жидкости (h), диаметр (d) или радиус окружности (r) смачивания. Зная эти размеры капли, рассчитывают tg по следующим формулам:

Однако в данной работе преимущественно используются капли малого размера, для которых деформацией за счет массы можно пренебречь, и для углов < 90о формула (11) упрощается и принимает вид:

Рассчитав по формуле (13) значение tg , определяют краевой угол смачивания. За искомую величину принимают среднее из трех параллельных из-

40

мерений. Полученные результаты сводят в табл. 5. Номер образца соответствует количеству студентов, выполняющих опыт.

Из полученных данных необходимо сделать:

1)индивидуальный вывод о смачиваемости образца, с которым работал студент;

2)общий вывод о степени смачиваемости всех изучаемых студенческой группой образцов древесины и древесных материалов адгезивами, водой и другими жидкостями;

3)вывод о наибольшей адгезии в системах подложка-адгезив;

4)вывод об изменении когезионных явлений.

Вопросы для самоконтроля и повторения

1.Дайте определение понятия «смачивание».

2.Что является количественной мерой смачивания?

3.Какой закон описывает смачиваемость при взаимном равновесии между фазами?

4.Понятия «адгезия», «работа адгезии».

5.Понятия «когезия», «работа когезии».

6.Какой закон описывает соотношения между работой адгезии и поверхностным натяжением взаимодействующих компонентов?

7.В чем суть адсорбционной теории адгезии?

8.Чем можно объяснить различные значения краевого угла смачивания при смачивании одной и той же жидкостью различных древесных материалов?

9.За счет каких сил происходит смачивание жидкостью твердой поверхности?