Смачивание. Растекание

Адгезия

Сцепление приведённых в контакт разнородных твёрдых или жидких тел (фаз) называется адгезией (от лат. adhaesium - прилипание). Подобно когезии, адгезия может быть обусловлена как межмолекулярным взаимодействием, так и химическими связями, в том числе ионной и металлической. Адгезия обусловливает возникновение между двумя телами соединения определённой прочности (прилипание). В этом смысле когезию можно рассматривать как частный случай адгезии при соприкосновении двух однородных тел. Величиной, характеризующей удельное усилие разрушения адгезионного контакта является адгезионная прочность, используемая в технике для оценки свойств клеев, лакокрасочных покрытий и др. В фармации адгезионной прочностью могут быть охарактеризованы, например, способность пластыря, мази или горчичника удерживаться на коже, прочность таблеток, спрессованных из различных порошков, прочность связи оболочек с таблетками и т. п. Количественно адгезионная прочность может быть охарактеризована работой адгезионного отрыва w_a.

При длительном контакте разнородных тел (фаз) может происходить взаимная диффузиявеществ, что приводит к размытию адгезионного шва и к увеличению адгезионной прочности.

В случае одновременного контакта между твёрдой, жидкой и газовой фазами адгезия неразрывно связана со смачиванием. В качестве газовой фазы чаще всего выступает воздух.

При нанесении небольшой капли жидкости на поверхность твёрдого тела (или другой, более плотной жидкости) можно в зависимости от природы контактирующих фаз наблюдать различные явления. В одних случаях капля растекается по поверхности с образованием очень тонкого, практически пло­ско­го слоя (растекание). Растекание обычно наблюдается при сопри­кос­но­ве­нии веществ с близкой полярностью, например, вода растекается по поверхности стекла или кварца (полярные жидкость и твёрдое тело), бензол – по поверхности воска или парафина (неполярные жидкость и твёрдое тело). Но многие неполярные жидкости, такие, как нефть, минеральные масла, бензин и т. п. могут растекаться по практически любым твёрдым (металлы, дерево, стекло, пластмассы и др.) или жидким (вода) поверхностям независимо от их полярности. Такое растекание объясняется слабым межмолекулярным взаимодействием и, как следствие, низким поверхностным натяжением жидкости.

При отсутствии сродства между жидкостью и твёрдой поверхностью наблюдается полное или практически полное несмачивание, когда маленькие капли жидкости принимают почти сферическую форму. Примером полного несмачивания может служить поведение капель ртути на поверхности большинства твёрдых тел (исключая хорошо амальгамирующиеся металлы).

Кроме полного смачивания или несмачивания возможны многочисленные случаи неполного смачивания, когда капля нанесённой жидкости при установившемся равновесии принимает на поверхности твёрдого тела определённую форму (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Взаимодействие сил, определяющих форму капли

на твёрдой поверхности

В такой системе имеются три различных поверхности раздела фаз: между твёрдым телом и жидкостью (т - ж), твёрдым телом и газом (т - г) и между жидкостью и газом (ж - г) с поверхностными натяжениями s_тж, s_тг и s_жг соответственно.

Линия, в которой пересекаются все три поверхности раздела, называется контуром смачивания. Угол между плоскостью смачиваемой поверхности и плоскостью, касательной к поверхности жидкости в одной из точек контура смачивания, называется краевым углом смачивания q. Краевой угол всегда измеряется со стороны жидкости. На каждую точку контура смачивания действуют три силы: s_тг, стремящаяся растянуть каплю по поверхности (т. е. уменьшить площадь поверхности «т - г»), s_тж и s_жг, стремящиеся сжать каплю (т. е. уменьшить площадь поверхностей «т - ж» и «ж – г»). Равновесное значение q связано со значением поверхностного натяжения на всех трёх межфазных поверхностях уравнением Т. Юнга:

,

вытекающим из общего условия равновесия трёх сил:

.

Из уравнения Юнга видно, что сos q является количественной мерой смачивания. А именно: условие сos q = 1 (q = 0^о) отвечает полному смачиванию или растеканию, условие 1 > сos q > 0 (0 ^о < q < 90^о, т. е. краевой угол острый) - неполному смачиванию. При плохом смачивании или полном несмачивании поверхности данной жидкостью краевой угол является тупым (q > 90^о; cos q < 0).

Косинус краевого угла смачивания, кроме того, является и мерой работы адгезионного отрыва w_a:

.

Соотношение w_a и работы когезии для жидкости w_к определяет величину краевого угла, а именно: при w_a < w_кq > 0 ^о причём с увеличением отношения w_a / w_к смачивание поверхности улучшается.

Поверхности, хорошо смачивающиеся данной жидкостью, являются по отношению к ней лиофильными (в случае воды – гидрофильными), плохо смачивающиеся – лиофобными (соответственно г идрофобными). Так как гидрофобные вещества обычно хорошо смачиваются маслами, их можно назвать также олеофильными. Гидрофильны, например, желатин, крахмал, глины, стекло; олеофильны - парафин, сажа. Кожа человека почти в одинаковой степени смачивается и водой, и маслами, что существенно при высвобождении и всасывании лекарственных веществ из линиментов, мазей, пластырей, примочек и т. п.

В процессе смачивания жидкостью твёрдой или жидкой поверхности выделяется теплота, называемая теплотой смачивания DH_см. (Правильнее эту величину следовало бы называть теплотой адгезии, так как она обусловлена только взаимодействием конденсированных фаз). В большинстве случаев теплота смачивания имеет значения от 0,4 до 40 кДж/м². Чем больше теплота смачивания твёрдого тела данной жидкостью, тем лучше смачивание. Таким образом, теплота смачивания, как и краевой угол, может служить количественной характеристикой лиофильности твёрдых поверхностей. Для сравнения гидрофильности различных поверхностей часто используется так называемый коэффициент гидрофильности K_гидр, представляющий собой отношение теплот смачивания данной поверхности водой и бензолом:

Для гидрофильных веществ К_гидр > 1 для гидрофобных - К_гидр < 1.

Смачивание играет существенную роль во многих технологических и биологических процессах. Так, хорошее смачивание необходимо при нанесении на кожу мазей и линиментов, при стирке и крашении тканей, обработке фотографических материалов, нанесении лакокрасочных покрытий. Смачивание порошков из лекарственных веществ водой (или растворами ПАВ) является одной из важнейших характеристик в технологии лекарств. Избирательное смачиваниеразличных минералов водой или маслами лежит в основе флотации – одного из главных способов обогащения полезных ископаемых, т. е. отделения их от вмещающей горной породы.

Дата добавления: 2014-01-04