Физические явления

Адгезия и когезия

Физическая сущность смачивания особенно хорошо определяется с помощью понятий адгезии и когезии, имеющих четкий физический смысл.

Адгезия - это энергия молекулярной связи между поверхностями двух соприкасаемых фаз. Количественно ее определяют работой, затрачиваемой на разделение тел в расчете на единицу площади.

Сцепление же между молекулами (атомами, ионами) в объеме тела называется когезией. Соответственно силы, действующие между молекулами, находящимися в разных фазах, называют силами адгезии, а внутри фазы - силами когезии.

Различают адгезию между двумя жидкостями или твердыми телами, а также между твердыми телами и жидкостью. Характер последнего типа адгезии оказывает большое влияние на процессы капиллярного контроля, поскольку от него зависит смачивание пенетрантом контролируемой поверхности.

Термодинамической характеристикой адгезии является убыль свободной энергии на единицу площади адгезионного контакта в изотермическом обратимом процессе. Работа при адгезионном отрыве W_a сопровождается образованием двух единичных поверхностей и ликвидацией межфазной единичной поверхности.

Используя уравнение Дюпре, можно вычислить W_a по экспериментально измеренным значениям σ и cosθ. Оно показывает, что чем лучше смачивание, тем больше адгезия. Поскольку при разрыве поверхности жидкости образуются две новые поверхности со свободной поверхностной энергией σ, работу когезии W_к можно выразить как W_к = 2 σ.

Таким образом, адгезионные силы стремятся растянуть каплю жидкости на твердой поверхности, а когезионные силы - стянуть ее, препятствуя растяжению.

Разность S = W_a - W_к определяет коэффициент растекания, и его величина играет важную роль при теоретическом исследовании процессов растекания жидкости по твердой поверхности.

Величина работы адгезии имеет большое значение при очистке контролируемой поверхности от загрязнений. Например, изменение свободной поверхностной энергии при отрыве частицы загрязнений от поверхности определяется как

E = σ_зж + σ_иж - σ_из,

где σ_зж, σ_иж, σ_из - соответственно удельная поверхностная энергия на межфазных границах «изделие - загрязнение», «изделие - жидкость» и «загрязнение - жидкость».

Отрыв частицы возможен при E > 0, откуда следует необходимое условие очистки поверхности от загрязнений: σ_из = σ_зж + σ_иж, откуда следует, что для уменьшения адгезии загрязнений к поверхности нужно максимально уменьшить σ_зж и σ_иж, сохраняя постоянной или даже увеличивая величину σ_иж.

Исходя из этого, в качестве моющих добавок необходимо выбирать поверхностно-активные вещества, адсорбирующиеся как на поверхности раздела «изделие - жидкость», так и на поверхности раздела «загрязнение - жидкость».