25. Методи оцінки енергетичного стану поверхні.

Поверхностная энергия - это избыток энергии в поверхностно*, слое на границе двух фаз по сравнению с энергией в обьеме этих фаз. Полная поверхностная энергия определяется работой по преодолению сил межмолекулярного взаимодействия при переходе молекул ( ионо , атомов ) из обьема фазы в поверхностный слой и теплотой образования ноюй поверхности. В соответствии с уравнением Гббса-Гельмгольса полная удельная поверхностная энергия составляет:

Твердые тела различаются значениями поверхностной энергии Гиб- бса, которые тем больше, чем тверже материале- и чем ьыше температура его плавления. Условно гее тела подразделяют на дне группы: с шео- кой и низкой поверхностной энергией, К первой группе относятся Ее- щестга, поверхностная энергия которых выше 500 м Дж/м² ( металлы, их оксиды, нитриды, сульфиды, стекло, кварц, алмаз и др. ). и низкоэнер­гетическим _г причисляются вещества с поверхностной энергией менее 500 м Дж/м² ( пластмассы, кожа, бумага, древесина, органические низ­комолекулярные вещества ).

Поверхностная энергия твердых тел может быть определена по энер­гии разрушения, или критического напряжения разрыва ( метод Гриф- фитса), методом " нулевой" ползучести ( метод Таммана), по смачива­нию поверхности различными жидкостями ( метод Зисмана ). Последний метод получил широкое применение при оценке поверхностной энергии полимеров, критерием оценки поверхностной энергии при этом служит критическое поверхностное натяжение , численно равное поверх­ностному натяжению жидкости , полностью растекающейся по

поверхности твердого тела. Практически эту величину находят экстра­поляцией прямой зависимости до значения (рис.3 ).

Рис.3. Определение критического поверхностного натяжения твердых тел по смачиванию жидкостями.

Для определения используют набор жидкостей - органических соединений одного гомологического ряда. Например, алканов, с раз­личными значениями поверхностного натяжения.

Поверхностная энергия Гиббса твердых тел, служащих подложкой, во многом определяет такие важные сюйства, как смачивание и расте­кание, адгезионная прочность и др. При соответствии знака полярности любые жидкости тем лучше смачивают подложку, чем выше ее поверхностная энергия, т.е. чем больше разница между значениями и

Поверхностная энергия, как и степень гидрофобности или гидрофильности поверхности, может быть существенно изменена путем модификации.

Гидрофильность и гидрофобиисть поверхности - свойства, характе­ризующие сродстш твердых тел к воде.

Под гидрофильностью следует понимать способность поверхности твер­дого тела связывать воду молекулярными силами; вода удерживаемая эти­ми силами, называется связанной водой.

Одной из наиболее надежных сравнительных характеристик гидрофиль­ности является теплота смачивания, которая позволяет оценивать срав­нительную величину эффективной удельной поверхности и количество во­ды, перешедшей из свободного в связанное состояние.

С точки зрения современных представлений, теплота смачивания рассматривается как результат изменения поверхностной энергии, и она будет тем больше, чем больше разница между свободными поверхностными энергиями дисперсной фазы и дисперсионной среды в момент их взаимо­действия, Теплоту смачивания можно представить как разность

полных поверхностных энергий дисперсного вещества до смачивания на границе раздела твердое тело (¥) - газ (F) и после смачивания на границе раздела твердое тело - жидкость ( ж ):

где - эффективная удельная поверхность дисперсного вещества. Обычно определяется с помощью калориметрической установки

адиабатического типа. Зная теплоту смачивания, можно рассчитать эффективную удельную поверхность.

Количественно степень гидрофобности можно оценить с помощью коэффициента лиофильности или краевого утла смачивания.

Коэффициент лиофильности определяется как соотношением

те плот смачивания данного дисперсного вещества полярными ( обычно это вода) и неполярными жидкостями:

• теплота смачивания полярной жидкостью;

• теплота смачивания неполярной жидкостью.

гдеГидрофобность плоской поверхности твердого тела оцениваеться по краевым углам смачивания, являющихся количественной оценкой процрсса взаимодействия при формировании капли жидкости на твердой поверхности по таким границам раздела как т-г, ж-г,т-ж (рис.4 ) и определяемого из соотношения:

1ис.4капля жидкости на поверхности твердого тела,

Если краевой угол меньше 90°, то поверхности гидрофильные, а если 90 и больше - гидрофобные.

Существующие методы определения краевых углов смачивания с го­дятся к непосредственному измерению угла с помцью прямых

инструментальных методов ( с помощью инструментального микроскс..^, проектированием капли на экран, методом наклона пластины г - гг..; -;"). возможен также расчет краеюго угла по форме капли, и таж опре­деление угла с помощью непрямых методов.

Электрический заряд поверхности.

Большое влияние на адсорбционные процессы с участием оксидов и силикатов оказывает электрический заряд их поверхности. Установлено ,что заряд неорганических частиц зависит от природы сущего.

Величина заряда и его знак оказывают влияние на диспергируемость оксидов и силикатов ъ различных средах и на устойчивость напол­ненных композиций. Наличие в системе минеральных частиц, приобре­тающих в используемом связующем противоположные заряда, приводит к флокуляции. Одним из методов регулирования способности поверхности неорганических частиц приобретать тот или иной заряд является модифицирование ее оксидами алюминия, и кремния, когда на поверхности формируется алюмосиликат с необходимы, мод/леи. Известно, что с гостом количества оксида кремния аоюмс силикате увеличивается отпи-

цательное значение- потенциала в водной среде. Обусловлено

это кислым гидролизом силанольных групп с разрывом связи

О -С и образованием сеток отрицательной (внутренней ) из ионов О2- и положительной ( внешней ) из протонов.

Все перечисленные причины приводят к тому, что силовое поле поверхности твердых тел складывается из регулярных центров, обуслов­ленных распределением электронной плотности в основной идеальной решетке, и из нерегулярных, обусловленных наличием дефектов и раз­личных групп на поверхности. При этом радиус действия нерегулярных центров больше, чем регулярных, и именно наличие нерегулярных центров и определяет в подавляющем большинстве случаев свойства поверхности. Неравномерное по знаку, величине и дальнодействию, а также распре­делению по поверхности твердого тела силовое поле приводит в резуль­тате адсорбции компонентов среды, в которую оно введено, к формиро­ванию адсорбционных слоев в соответствии со свойствами поверхности, которая является своеобразной матрицей.

Энергетическая неоднородность разных участков поверхности еызы- Еает адсорбцию на них различных веществ и с различной энергией связи. Под влиянием поверхности твердого тела изменяется ориентация приле­гающего слоя жидкости, за счет чего он по свойствам будет значитель­но отличаться от слоев, удаленных от поверхности. При высокой степе­ни наполнения свойства большей части жидкой фазы в наполненном ма­териале значительно изменены действием силою го поля тех или иных участков поверхности наполнителя.