adeziune și fluid de umectare - studopediya

Adeziunea lichidului, unul dintre tipurile de interacțiuni adezive (vezi. Tabelul 3.1.), Realizat la contactul lichid cu o suprafață solidă. Dacă corpul 1 este solid, 2 - lichid și 3 -gazom (., A se vedea Figura 3.1), adezivul lichid aplicat ecuația (3.1) poate fi reprezentat după cum urmează:

Inclus în ecuația (3.4) tensiunea superficială a solidelor # 963; TG. # 963; TJ dificil de determinat experimental, și tensiunea superficială a lichidului la interfața cu mediul gazos, adică # 963; xi. măsură este destul de simplu. Prin urmare, activitatea de adeziune lichid echilibru exprimate în ceea ce privește cantitățile care pot fi supuse determinării experimentale. Una dintre aceste valori este tensiunea superficială lichid la interfața cu mediul gazos # 963; xi.

(. Figura 3.3) Poziția unei picături de lichid pe o suprafață solidă în umectarea de contact este determinată de valorile tensiunii superficiale la interfața dintre următoarele faze: lichid - gaz # 963; xi. solid - lichid # 963; TJ și solid - gaz # 963; TG. picături Equilibrium determinate de efectul simultan al acestor trei tensiuni superficiale, care cade de-a lungul perimetrului de contact cu substanța solidă (vezi. fig. 3.3) sunt prezentate ca vectori. Tensiunea superficială îndreptate la o tangentă la suprafața corespunzătoare. Două dintre ele, și anume, # 963; TG și # 963; TJ. act

Fig. 3.3. Reglementarea picături de apă (a, b) și cu bule de gaz (c, d) pe un hidrofil (a, c) și hidrofobe (b, d) suprafețe # 963; TZH1. # 963; și TZH2 # 963; ZH1ZH2 - tensiunea interfacială când R2 Zh1i lichide selective umezire solide

pe o suprafață solidă în direcții opuse. Tensiunea superficială a lichidului la granița cu mediul gazos # 963; xi funcționează la un unghi predeterminat în zona de contact. Acest unghi se numește unghiul de contact și este notat cu # 952;. De multe ori, în loc să reducă „unghiului de contact“ spune doar „unghiul de contact“.

unghiul de umectare # 952; asociată cu tensiunea superficială la interfața de trei faze # 963; TG. # 963; TJ. # 963; xi. Pentru a stabili conexiunea dintre principalele variabile care caracterizează adeziunea lichidului, ia în considerare echilibrul unei picături de lichid pe o suprafață solidă. La condițiile de echilibru (vezi. Fig. 3.3) proeminente tensiune superficială # 963; xi. pe axa care corespunde zonei de contact și direcția tensiunilor de suprafață # 963; TG și # 963; TJ. putem scrie:

Din ecuația (3.15) obținut două ecuații derivate:

Derivarea ecuațiile (3.5) - (3.7) se realizează pe baza echilibrului geometric al puterii care caracterizează tensiunea superficială. Aceste ecuații pot fi obținute prin mai stricte atunci când se analizează energia liberă a sistemului în funcție de forma de picături de volum constant, care îndepărtează o parte din incertitudine în evaluarea tensiunii superficiale a solidelor (vezi. Paragraful 2.1).

Ecuațiile (3.5) - (3.7) sunt forme diferite ale legii lui Young. caracterizarea picăturii de lichid de echilibru pe o suprafață solidă.

Diferența dintre tensiunea superficială a corpului solid # 963; TG și # 963; TJ (# 963, TG - # 963; TJ), conform condiției (3.6) este egal cu # 963; cos xi # 952;. Substituind valoarea diferenței (# 963; TG - # 963; TJ) din ecuația (3.6) în (3.4), se obține o formulă pentru determinarea lucrării de echilibru lichid adeziune:

Folosind formula (3.8) se poate calcula cu ușurință activitatea de adeziune lichid de echilibru, deoarece valorile conținute în ea - o tensiune superficială # 963; xi și unghi de contact # 952; - măsurabilă.

Unghiul de contact egal cu unghiul dintre suprafața în contact cu lichidul și tangenta la conturul fluidului. Sensul acestei tangente coincide cu direcția tensiunii de suprafață a fluidului la interfața cu faza gazoasă (vezi. Fig. 3.3). Vârful unghiului se află în punctul de contact al celor trei faze (gaz-lichid-solid), iar valoarea acesteia într-un e r d a a t o oră și t s c a u t în s t o p a n y w și q pentru al s-lea f și h.

Ecuația (3.8) ne permite să se calculeze echilibrul munca adeziune lichid. Aceste calcule au fost făcute pentru soluții apoase de acid citric, care este o parte a unor produse alimentare și utilizate în industria alimentară. Pentru tensiune superficială soluție apoasă de acid citric -x 10-40% # 963; xi este 65,1-68,5 mJ / m2; unghiul de umectare # 952; pe suprafața oțelului este 10-40 °, pe polietilenă și teflon - 77-86 °. Equilibrium muncă adeziune, calculată conform ecuației (3.8), pe suprafața oțelului este 109-138 mJ / m 2 și pe polimer - 71-86 mJ / m 2, adică suprafață polimerică reduce efortul de echilibru a aderenței comparativ cu oțelul.

Unghiul de contact este direct legat de zona de contact a picăturilor de lichid (vezi. Fig. 3.3, a și fig. 3.3, b). Mai mic unghiul de contact, cu atât mai mare zona de contact a picăturii.

Zona de contact definește o picătură de fluid pentru a uda solidul. Aderența și umectare. Ele tind să însoțească reciproc determină legătura de adeziune între solid și contactarea lor cu lichid și umezire - rezultatul unei astfel de conexiuni.

Distinge de imersie și de umectare de contact. Imersiunea umezire implementat cu corp solid plin scufundat într-un lichid, iar în alte cazuri în care se formează interfața T-F. Când contactul de umezire a treia fază este prezentă împreună cu lichidul și solidul (vezi. Fig. 3.1 și 3.3).

Din valoarea unghiului de contact, toate suprafetele pot fi împărțite în două grupe. Dacă unghiul # 952; Aceasta variază între 0 <θ <90°, то такие поверхности называют лиофильными. Лиофильные поверхности в свою очередь могут быть гидрофильными и олеофильными. если поверхности контактируют с водой, то вместо приставки «лио» используют приставку «гидро», а в случае других жидкостей — «олео».

Suprafețele numite lyophobic (hidrofob și oleofob) dacă unghiul de contact este mai mare de 90 °. Fig. 3.3, ca suprafață hidrofilă este prezentat, și Fig. 3.3, - o suprafață hidrofobă în raport cu apă prin picurare. Hidrofilia înseamnă afinitate pentru apă și un hidrofob trebuie să înțeleagă absența unei astfel de afinitate.

Conform ecuației (3.8), unghiul de contact poate fi exprimat prin munca de adeziune, și anume

În această formulă, tensiunea superficială # 963; xi exprimate în termenii activității de coeziune; pentru a utiliza ecuația (3.3) pentru a obține

Ecuația (3.10) ne permite să exprimăm liofilizați și lyophobic în funcție de relația dintre activitatea de adeziune și coeziune, precum și pentru a stabili condițiile de răspândire a picăturilor de lichid și umectarea suprafețelor solide.

Nonwetting (lyophobic) când Cos # 952; # 61472; → # 61472; -1 condiție caracterizată

Când răspândirea picături # 952; # 61472; # 61472 →; 0 și cos # 952; # 61472; → # 61472; 1. Apoi, conform ecuației (3.10), obținem condiția picăturilor de împrăștiere

munca de adeziune în exces asupra activității de coeziune caracterizînd răspândire coeficient Wp. care este egal cu

Raspandirea Coeficientul indică variația de energie a sistemului, ca urmare a adeziunii și de umectare.

Deci, activitatea de adeziune promovează umezirea și răspândirea de picături, și activitatea de coeziune previne. Cu cât diferența dintre ele, cu atât mai intensă și mai mare răspândire a umezirii.

Pe tartinabile suprafețe de apă extrem de hidrofile. Dacă plasați pe aceste suprafețe o picătură de apă, se transformă într-un film, și va exista o umezire completă. Unghiul de contact de echilibru în acest caz, nu este instalat. La suprafețele de împrăștiere maxime oleofile, de exemplu, se observă după aplicarea uleiului pe o tavă fierbinte sau în contact cu picăturile de benzină pe diverse suprafețe.

La suprafețe extrem de hidrofobe unghiul de contact în raport cu apă prin picurare trebuie să ajungă la 180 °. Cu toate acestea, astfel de suprafețe în natură; foarte aproape de materiale hidrofobe, cum ar fi ceara, parafina, teflon. Unghiul de contact al apei scade pe aceste suprafețe în condiții normale poate fi 120-130 °.

Equilibrium munca adeziune Wa conform ecuației (3.8) pentru foarte hidrofil (oleofilică) de suprafață, atunci când # 952; = 0 și cos # 952; = 1, se poate ajunge la o valoare maximă egală cu 2 # 963; xi. În condiții (3.3) activitatea de adeziune echilibru la limita de echilibru este o muncă de coeziune.

De fapt, activitatea de adeziune poate fi mai mare decât echilibrul datorită naturii de non-echilibru al interacțiunii adeziv (datorită bonding chimice, efecte capilare, apariția stratului dublu electric în zona de contact, precum și din alte motive). În plus, influența pe suprafața umectarea Nereguli solide: rugozitate îmbunătățește umectarea cu # 952; <90°, что приводит к усилению адгезии.

Aceeași suprafață poate fi hidrofil, dar oleofobi, adică simultan umezită cu apă și nu este umectat de lichide organice sau invers. Astfel, PTFE (teflon) este în raport cu glicerol oleofobi, dar atunci când sunt umezite, devine benzen oleofilică, iar la contactul cu apa detectează proprietăți hidrofobe. jeleuri Gelatina hidrosol la apă sunt în principal hidrofobe (în funcție de metoda de preparare a gelurilor # 952; = 87-123 °). În ceea ce privește benzenul și aceleași jeleuri bromfenolul sunt oleofilică (# 952; = 5-34 °).

Pentru aceleași corpuri de contact (suprafață dură - lichid) unghiurilor de contact variază în funcție de prezența contaminanților și a impurităților, de temperatură și de alți factori. Prin urmare, conceptul de receptivitate ulei hidrofil și hidrofob și oleofob sunt relative. Aceste concepte pot fi folosite pentru a caracteriza tendințele de udare. hidrofobă a suprafețelor asociate cu creșterea unghiului de contact (vezi. fig. 3.3, b, d). Hidrofilizare implică reducerea unghiului de contact și de îmbunătățire umezire (vezi. Fig. 3.3, a, b).

La determinarea oleofilică și oleofobi ar trebui să ia în considerare relația (3.13) și (3.14) între activitatea de adeziune și coeziune.

Hidrocarburile având o coeziune scăzută, se întinde pe majoritatea suprafețelor (cu excepția fluoroplastic și parafină). În aceste condiții, este imposibil de a evalua diferitele suprafețe de umectare picături de lichid mediu de gaz încadrată. Unghiul de contact umezirea este determinat prin umezire selectivă, așa cum este măsurată prin aplicarea unei picături de lichid polar (de exemplu, apă) pe suprafața unei secțiuni corp solid, care este în contact cu un alt lichid nepolar (de exemplu, hidrocarburi). unghi # 952; măsurată în direcția unui lichid polar.

Revenind la Fig. 3.3, și atunci când o picătură de apă, înconjurată de ecuația Jf1 R2 hidrocarbură lichidă (3.7), care caracterizează legea lui Young, după cum urmează

unde # 963; TZH1. # 963; și TZH2 # 963; ZH1ZH2 - tensiunea interfacială la limita fazelor respective; # 952; - unghiul de contact cu umectare selectivă.

umezirea selectiva sta la baza procesului de acoperire în cerneluri tipografice și alte procese asociate cu un contact narastekayuschimi solid cu două fluide de polaritate diferită.

De asemenea, unghiul de contact al umectarea suprafețelor solide poate fi evaluată prin tensiunea critică de suprafață # 963; cr. Atunci când interacționează cu aceleași suprafețe de diferite lichide sau lichide ale serii omoloage, o relație liniară între cos # 952; și # 963; xi. Când extrapolând această dependență pentru cos # 952; = 1 în cazul acelorași suprafețe de aceeași valoare este obținută # 963; xi. și se numește tensiunea critică de suprafață # 963; cr.

Astfel, tensiunea critică de suprafață # 963; cr. Acesta corespunde unui unghi de contact zero. De fapt, un astfel de lichid în natură și nu poate fi, dar dacă ar exista un astfel de lichid ipotetic, tensiunea superficială ar fi critică.

După umezirea suprafața lichidului polar a tensiunii superficiale critice nepolar este numeric egală cu energia de suprafață specifică (tensiune superficială) a corpului solid, adică, următoarea condiție # 963; cr. ≈ # 963; TG. Această condiție face posibilă caracterizarea suprafeței solide ca consum redus de energie (în contrast cu energie înaltă, atunci când această condiție nu este îndeplinită).

suprafețe reduse de energie au redus de energie liberă de suprafață specifică, aceasta nu depășește 100 mJ / m2. Pentru consum redus de energie suprafețe includ parafină și stearină și materiale polimerice: fluoropolimeri, polietilene. poliamide, cloruri de polivinil, polivinil acetați, și altele. Printre solide a fost găsit cea mai mică valoare a energiei libere de suprafață specifică (tensiune superficială) egală cu 10,6 mJ / m2 pentru polimer polimetacrilat. Artificial prin adsorbție capabil de a reduce suprafața energia liberă specifică a corpului solid la 6 mJ / m2. Conform acestei noverhnosti modificate se pot răspândi gaze inerte numai lichefiate și toate celelalte lichide nu se va topi și coagulează în picături.

Suprafeței energia liberă specifică a suprafețelor de înaltă energie depășește 100 mJ / m2, și poate ajunge la câteva mii de mJ / m2. Prin energie ridicată includ metale și oxizi ai acestora, sticlă, rubin, cuart, diamant, și altele.

Astfel, parametrii sunt unghiul de contact umezirea contactului și munca echilibrul de adeziune.

Imersiunea umectare caracterizată de căldură umedă, numită uneori încălzi corpul solid cufundat într-un fluid. udare prin imersie se realizează și în raport cu pulberi. Ca urmare a limita de imersiune umezire între T-T este complet înlocuit cu interfața dintre T-F, iar tensiunea de suprafață (energie liberă suprafață specifică) # 963; TG - pe # 963; TJ. Datorită faptului că # 963; TG> # 963; TJ. umectarea însoțită de o scădere a energiei specifice suprafață liberă, iar procesul de umezire este însoțită de eliberarea de căldură. Căldura de umectare egală cu diferența de entalpie a sistemului înainte și după umectare:

în cazul în care STJ. NTG - entalpia specifică per 1 m2 de suprafață la interfața T-F și T-T.

În conformitate cu ecuația (3.16), căldura de umezire a inversul semnul schimbării entalpie atunci când sunt umezite.

Distinge diferențială qx și căldură integrantă umezire Qx. Sub căldura diferențială de umectare se înțelege o cantitate de căldură, care este eliberată prin contactul cu un solid un mol de lichid pe baza numărului x de fluid aplicat pe unitatea de suprafață a substanței solide.

Pentru a determina căldura diferențială de umectare utilizare ecuația Gibbs - un Helmholtz

Folosind această ecuație, căldura diferențială de umectare poate fi reprezentat ca

unde # 916; Gx - schimbarea suprafeței energiei libere specifică a suprafeței atunci când sunt umezite cu un mol de lichid.

Căldura diferențială de umezire poate fi măsurată prin calorimetru - este diferența dintre căldura diferențială de adsorbție (a se vedea punctul 4.3.) Și căldura de condensare a vaporilor.

Integral căldură Qx de umectare egală cu căldura care este eliberată prin aplicarea unei anumite cantități de lichid pe unitate x suprafață solidă: este definită de ecuația

căldură integrală a umectarea diferitelor soiuri de făină de grâu variază în 101,2-107,9 kJ / kg.

Deoarece cantitatea de umectare diferențială a fluidului scade și crește căldura integrală a umezire. Când o cantitate în exces de lichid nu este implicat în umectarea diferențială de căldură de umectare egală cu zero. iar integralei presupune o valoare maximă (x → ∞). Atunci când cantități mici de lichid atunci când suprafața solidă nu este complet acoperit cu lichid, căldura diferențială de umectare constantă.