1.2. Свойства поверхности

Свойства поверхностного слоя сильно отличаются от свойств объема каждой из фаз, в первую очередь, наличием поверхностной энергии U_s. В отличие от атомов и молекул внутри объема атомы и молекулы поверхности не имеют подобных соседей, избавлены от их уравновешивающего воздействия и потому обладают большей энергией. За характеристику U_s принимают запас поверхностной энергии в единице площади межфазовой поверхности поверхностное натяжение и. Его можно рассматривать как работу, необходимую для образования единицы поверхности или как меру гетерогенности.

С увеличением удельной поверхности S вещества возрастает его химическая активность, что учитывают в технологии строительных материалов, в частности, при изготовлении вяжущих веществ (гипса, цемента и др.) в виде тонкого порошка.

Поверхностная энергия стремится самопроизвольно уменьшиться за счет снижения поверхностного натяжения или уменьшения поверхности. Например, жидкость в условиях невесомости стремится принять форму с наименьшей поверхностью - сферу. Мелкораздроб­ленные твердые и жидкие тела стремятся уменьшить поверхность самопроизвольно объединяясь. Стремлением U_s к уменьшению обусловлены, в частности, образование у поверхности электрического слоя, уплотнение поверхностного слоя, абсорбция, палия, смачивание и растекание.

Рис. 1.2. Изменение потенциала ср в полярной жидкости (воде) при удалении х от положительно заряженной

поверхности: А - адсорбционный слой, Д - диффузионный слой, А+Д - электрический слой

Стремление гетерогенной системы к уменьшению Us вызывает в поверхностном слое такую ориентацию ионов и полярных молекул', ни соприкасающиеся поверхности фаз приобретают заряды противоположного знака, но равной величины: так возникает на частности электрический слой с соответствующим потенциалом, Зарядом и емкостью - рис. 1.2. Упорядоченность этого слоя по мере мнения от поверхности размывается тепловым движением, но приводит к уплотнению, изменению температуры фазовых переходов и анизатропии свойств вещества s этом слое; он как щётка: жёсткий перпендикулярно поверхности и податливый вдоль неё. Молекулы воды, связанные с твердой поверхностью, не способствуют подвижности связнодисперсной системы, чем и обусловлено разделение воды в таких системах на «связанную» и «свободную».

J

Частицу дисперсной фазы с плотной частью электрического слоя называют гранулой, или молионом, а вместе с диффузионным слоем мицеллой Мицелла в отличие от гранулы электронейтральна. При относительном перемещении фаз, независимо от причин его вызвавших, происходит разрыв электрического слоя по диффузионному слою. В результате дисперсионная среда и дисперсная фаза оказываются противоположно заряженными, ч обуславливает следующие электрокинетические явления.

Электроосмос - перемещение жидкости в пористых телах под действием электрического поля. Электрофорез - перемещение частиц дисперсной фазы в электрическом поле. Потенциал течения (или оседания) - возникновение разности потенциалов при относительном движении фаз. Относительное движение фаз вызванное электрическим полем, называют молионной, или электрофорезной проводимостью.

Стремление системы к уменьшению Us в сочетании с тепловым движением приводит к самопроизвольному перераспределена молекул поверхностного слоя. Такое перераспределение, приводящее к проникновению в поверхность молекул соседней фазы, называю адсорбцией. Она обеспечивает возможность молекулярного взаимодействия контактирующих фаз с повышением прочности контакта - адгезию (прилипание).

Количественно адгезию характеризуют работой, затраченной на разрушение единицы площади контактирующих поверхностей.

Смачивание - взаимодействие жидкости с твердым телом пр. наличии одновременного контакта с газом (воздухом). Смачиванием количественно характеризуют косинусом краевого угла или краевым углом θ (углом смачивания) - рис.1,3. Из условия равновесия следует что u₁₂ =(u₁₃cosθ+u₂₃); отсюда cosθ = (u₁₂-u₂₃)/u₁₃, где поверхностное натяжение на границе твердого тела с воздухом - u₃₂, твердого тела с жидкостью - u₁₂, жидкости и газа – u₁₃.

Чем меньше угол θ и больше cosθ, тем лучше смачивание. Граница между смачиваемостью и несмачиваемостью - угол θ = 90' или cosθ = 0. Если θ = 0, то имеет место растекание. Смачиваемую водой поверхность называют гидрофильной, а несмачиваемую - гидрофобной.

Поведение жидкости в капиллярах зависит от значения θ. При смачивании (θ < 90°) жидкость поднимается по капиллярам; при θ>90° жидкость не поднимается и не пропитывает тело.

Свойствами поверхности можно управлять с помощью поверхностно-активных веществ (ПАВ). Это органические вещества, в частности, жирные спирты, амины, карбоновые кислоты и их соли, молекулы которых состоят из асимметрично расположенных частей полярной группы и неполярного (или слабополярного) углеводородного радикала. Полярная группа (-ОН, -NH2, -СОСН, - Ot>03Na, -S03Na и др.) обладает дипольным моментом и способностью к гидратации - притяжению молекул воды. Углеводородный радикал имеет дипольный момент близкий к нулю и проявляет гидрофобные свойства - выталкивается из воды интенсивным притяжением друг к другу её полярных молекул и снижает поверхностное натяжение. Вместе с тем углеводородный радикал проявляет сродство к близким по полярности фазам - углеводородам и другим, нерастворимым в воде органическим соединениям (маслам). Двойственный характер молекул типичных НЛП обуславливает сначала адсорбцию ПАВ на поверхностях раздела; затем в ряде случаев возможно образование мицелл из молекул ПАВ. При малых концентрациях ПАВ образуются сферические мицеллы, а при больших - пластинчатые, которые даже могут создать пространственный каркас. Оба процесса протекают самопроизвольно и обеспечивают уменьшение поверхностной энергии системы. В связи с этим ПАВ широко используют в качестве смазывающих, моющих и очищающих средств, стабилизаторов или разрушителей дисперсных систем, смачивателей, эмульгаторов, солестабилизаторов. Солебилизация - поглощение нерастворимых или слаборастворимых в воде органических веществ водным раствором ПАВ. Это один из факторов моющего действия мыла; её используют, в частности, для полного извлечения нефти из пластов.

Нужны весьма малые количества ПАВ для управления поверхностными свойствами даже мелкодисперсных систем, так как достаточно предоставить возможность поверхности покрыться молекулярным слоем ПАВ, покрыться самопроизвольно без всяких энергетических затрат. При этом концентрация ПАВ в поверхностном слое оказывается очень большой, при относительно малом содержании ПАВ в объёме.

Трение - сопротивление перемещению тела по поверхности другого тела (контртела). Пасту 1 плотно укладывают в наклонный цилиндр 2. При вращении цилиндра происходит постепенное выдавливание пасты поршнем и ее обточка на конус резцом 3 при выходе из цилиндра.

Верхняя образующая этого конуса горизонтальна и находится под давлением контртела 4, которое скользит по пасте. Силу трения Т при заданном усилии Р₁ прижима контртела к пасте замеряют кольцевым силоизмерителем 5 с наклеенными на нем резисторами. Сила нормального взаимодействия поверхности пасты с контртелом определяется не только усилием Р1 но и равнодействующей Р₂ от сил поверхностного натяжения жидкости на границе раздела. По этой причине в ряде случаев наблюдается тесная связь между влажностью W пасты и силой Т. Такую связь можно использовать для управления технологическим процессом, в частности, поддерживая постоянным значение W. С этой целью контртело с двумя степенями свободы (см рис.1.4) и заданным весом Р₁, устанавливают в верхней точке наклонного транспортера, который непрерывно подает пасту Возможно также определение и управление W по моменту или мощности привода одного из протирочных валков, прижатого к другому постоянным усилием Р₁,