Межфазный контакт: свободная межфазная энергия

Прочность клеевых соединений зависит не только от величины адге­зионного взаимодействия, но и от многих других факторов, которые получили условное название «энергетические факторы адгезии». К ним в первую очередь относятся все факторы, оказывающие влияние на образование межфазного контакта между поверхностью подлож­ки и клеевым материалом. От выполнения этого условия зависит:

  • Между поверхностью подложки и клеевым материалом может иметь место образование различных типов связей. Если не будет обеспечено хорошее смачивание, то вероятность образования свя­зей снижается.
  • Весь комплекс адгезионных явлений есть результат проявления молекулярного взаимодействия, условием которого является хо­рошее смачивание и растекание.
  • Образование прочных химических связей между пограничным слоем и клеевым материалом приводит к появлению «размытой» межфазной границы. Прочность клеевого соединения во многом зависит от поверхностного натяжения подложки, которое в свою очередь влияет на процессы смачивания.

Для того, чтобы обеспечить хорошее смачивание и растекание клеевого материала, требуется определить значение свободной меж­фазной энергии.

Свободная межфазная энергия

Для определения условий хорошего смачивания и растекания необ­ходимо знать величины свободной межфазной энергии не только для различных материалов подложки, но и для клеев.

Свободная энергия и поверхностное натяжение жидкостей

Клеевые материалы рассматриваются как жидкости, для которых ха­рактерен определенный тип межмолекулярного взаимодействия. Молекула в объеме находится в постоянном движении, и на нее оказывают влияние только соседние молекулы. Как только она пере­мещается в поверхностный слой, то характер движения молекулы изменяется.

Избыток свободной энергии в поверхностном слое жидкости, от­несенный к единице ее поверхности и обусловленный различием меж­молекулярных взаимодействий в обеих фазах, называется удельной поверхностной энергией. Поверхностную энер­гию определяют как работу в процессе образования единицы площа­ди поверхности раздела двух находящихся в равновесии фаз, которая совершается против молекулярных сил сцепления.

Другой единицей, определяющей значение избытка энергии в по­верхностном слое, является поверхностное напряжение. Поверхностное натяжение является следствием прояв­ления межмолекулярных сил и его величина обусловлена притяже­нием материала в объеме к поверхностному слою, что приводит к сни­жению числа молекул в последнем и к увеличению расстояния между ними.

В противоположность поверхностной энергии, поверхностное натяжение является равновесной величиной, точные значения которой могут быть экспериментально определены, например методом Вильгельма.

Поверхностное натяжение жидкостей u твердых тел. Свободную поверхностную энергию жидкостей часто путают с их поверхностным натяжением. Поверхность жидкости не является спокойной, поскольку на ней происходит активное движение молекул. Сокращение поверхности указывает на наличие свободной энергии. Величина свободной по­верхностной энергии не является абсолютно равновесной и зави­сит от предыстории поверхности, особенностей ее формирования. Некоторые полагают, что существенный вклад в вели­чину поверхностной энергии оказывает испарение. Однако это не так, поскольку количество молекул, которые поверхность из-за испаре­ния теряет, равно такому же количеству, которое возвращается об­ратно.

Для жидкостей различие между поверхностным натяжением и поверхностной энергией очень незначительно, т.е. его можно при­равнять.

Для большей части жидкостей значение поверхностного находит­ся в пределах 10 и 110 мДж • м 2. Для металлов и сплавов значения поверхностного натяжения существенно выше и составляют от 300 до 1000 мДж • м 2.

Изменения поверхностного натяжения в зависимости от температуры. С увеличением температуры величина поверхностного натяжения уменьшается. Эto свойство используется для определения (методом экстраполяции) значений поверхностного напряжения при темпера­туре окружающей среды некоторых вязких жидкостей. На практике в процессе склеивания температурные условия постоянно изменя­ются, что вызывает соответствующие изменения поверхностного на­тяжения, что приводит к возникновению различных проблем, свя­занных с нанесением (особенно если эта операция механизирована или автоматизирована) клеевых материалов.

Поверхностное натяжение однородных жидких смесей. Значение величины поверхностного натяжения однородных жидких смесей определяется с учетом массы каждого компонента.

Это уравнение используется для определения поверхностного на­тяжения сополимеров в том случае, если из-за высокой вязкости ма­териала прямые экспериментальные методы не позволяют получить достоверный результат. Так же, как и при температурных испытани­ях, используется метод экстраполяции. Однако можно привести мно­жество примеров, когда использование данного уравнения не позво­ляло получать достоверные значения. Именно по этой причине большинство исследователей не рекомендуют использовать данное уравнения в качестве аналитического инструмента.

В основу принципа работы «индикаторов смачиваемости», изготав­ливаемых в виде фломастеров, также положен принцип измерения весового состава поверхностных натяжений. Эти данные бывают очень полезны, особенно если требуется получить качественную кар­тину. Однако полностью им доверять не стоит и требуется проводить дополнительные исследования.

Когезионные свойства жидкостей обеспечиваются за счет физических взаимодействий типа LW или физико-химических взаимодействий типа АВ. Как подчеркивает в своих работах один из основоположни­ков этого направления Fowkes, поверхностное натяжение и сво­бодная энергия поверхности имеют всегда рассеивающую составляю­щую (сумма взаимодействий донор-акцептор).

Величины, входящие в уравнение свободной поверхностной энергии, напрямую измерить нельзя. Экспериментально можно замерить толь­ко величину и значение поверхностного напряжения. Для неполярных жидкостей типа предель­ных углеводородов жирного ряда, когезионная прочность которых не обусловлена влиянием дисперсных межмолекулярных сил, поверх­ностное напряжение уменьшается до составляющей LW, которая из­меряется напрямую. Полученные значения поверхностного натяже­ния показали возможность использования полученных результатов для последующих расчетов. Для жидкостей, когезионная прочность которых зависит от кис­лотно-основного взаимодействия (к этой группе относятся полярные жидкости), результаты определения косвенных показателей на осно­ве экспериментальных исследований величин поверхностных натя­жений не считают достоверными.

ПОХОЖИЕ СТАТЬИ:

Copyright © 2018 Современные технологии обработки древесины. All Rights Reserved.
При использовании материалов сайта гиперссылка на www.technologywood.ru обязательна.