2.3. Адгезия

Адгезия – это прилипание находящихся в контакте поверхностей разной природы. Явление адгезии наблюдается между поверхностями в системах: твердое тело – твердое тело, твердое тело – жидкость, жидкость – жидкость.

Адгезия между телами реализуется преимущественно за счет сил Ван-дер-Ваальса или водородных связей. Два тела прилипают при контакте поверхностями в результате уменьшения энергии поверхностного натяжения, присущего самопроизвольным, термодинамически разрешенным процессам, о которых говорилось при обсуждении явления смачивания.

Тело, которое прилипает, называют адгезивом. Тело, к которому прилипает адгезив, называется субстратом. Чаще всего субстратами являются разнообразные твердые тела (металлы, пластмасса, керамика, стекло, поверхность древесины и т.д.).

Слипание твердых частиц называют аутогезией, если слипаются частицы одного и того же вещества, например частицы порошка. В результате аутогезии изменяется их сыпучесть.

Количественно энергию (работу) адгезии удается рассчитать для систем, в которых, по крайней мере, одно из тел является жидкостью, т.к. для жидкостей существуют удобные экспериментальные методы определения поверхностного натяжения на границе раздела фаз жидкость – газ (_ж-г) и жидкость – жидкость(_ж-ж).

Прилипание жидкости к твердому телу сопровождается уменьшением поверхностной энергии (выделением энергии), следовательно, для отрыва твердого тела от жидкости требуется затратить энергию  работу адгезии, А_адг. Уравнение для определения работы адгезии А_адг можно вывести, исходя из модели взаимодействия, представленной на рис. 7.

Рис. 7. Модель изменения поверхностного натяжения межфазных поверхностей, позволяющая вывести уравнение работы адгезии А_адг

В системе жидкость – твердое тело (рис. 7, а) отрыв твердого тела от жидкого связан с затратой энергии на образование двух новых поверхностей (рис. 7, б): жидкость – газ (_ж-г) и твердое тело – газ (_т-г). При этом происходит потеря энергии (_т-ж) в результате исчезновения поверхности твердое тело – жидкость. Баланс энергетических затрат в форме работы адгезии представлен уравнением (2.4):

А_адг = (_т-г + _ж-г) – _т-ж.. (2.4)

Входящая в уравнение работы адгезии величина _ж-г экспериментально легко определяется в отличие от величин _т-г и _т-ж. Но значения _т-г и _т-ж можно заменить на _ж-г, используя уравнение Юнга.

cos  = (_т-г  _т-ж)/_ж-г . (2.5)

Разделение фаз требует совершения работы адгезии, которую можно определить, решая совместно уравнения (2.4) и (2.5):

А_адг = _ж-г (1 – cos ). (2.6)

Практическое использование явлений адгезии и смачивания

Различная смачиваемость поверхностей конденсированных тел используется в разнообразных технологических процессах, таких, как флотация, пропитка тканей, экстракция, смазка трущихся деталей, стирка (очистка поверхностей от загрязнений).

Рассмотрим примеры практического применения явлений адгезии и смачивания. В том случае, когда требуется максимально снизить смачивание и прилипание используют такие материалы, как фторопласты, полиметилметакрилат, полиэтилен, поливинилхлорид, поливинилацетат, полиамиды и ряд других органических полимеров. В операциях на кровеносных сосудах используются полимерные материалы, которые кровь не смачивает, т.е. не прилипает к стенкам и не вызывает образования тромбов.

Разделение частиц ценных минералов и пустой породы, основанное на различии смачиваемости их водой, называется флотацией. Английское слово flotation буквально означает плавание по поверхности. Сущность флотации рассмотрим на примере широко применяемого пенного метода выделения ценных минералов из руды. Измельченную руду, содержащую минералы меди, молибдена, бериллия, висмута и ряда других металлов, смешивают с водой в потоке пузырьков воздуха. Образуется трехфазная система – пульпа, состоящая из твердых частичек, жидкости и газа. Пузырьки газа (неполярная среда) будут прилипать к частичкам, имеющим гидрофобную поверхность, обеспечивая их всплытие на поверхность, и не будут прилипать к частичкам пустой породы с гидрофильной поверхностью (рис. 8). Руду, содержащую тяжелые минералы, приходится измельчать до частиц размером 0.1 – 0.2 мм, а содержащую легкие минералы до 0.2 – 3 мм, чтобы добиться максимального увеличения концентрации полезных минералов после флотации по сравнению с концентрацией минералов в руде. Так, при флотации медной руды, содержащей 1.5 – 1.7 % меди, получают концентрат, содержащий 35 % меди.

Рис. 8. Схема флотационного метода отделения минералов от пустой породы. Частички минералов, покрытые пузырьками воздуха, всплывают, а пустая порода остается на дне ёмкости