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.
Загрузка ...