3.1.5.3 Адгезія між твердим тілом і рідиною

Адгезія і змочування, як правило, супроводжують одне одного і відповідним чином характеризують міжфазну взаємодію.

Принципова відмінність між поверхневими явищами адгезії і змочування полягає в тому, що змочування має місце при наявності спряження трьох фаз: твердого тіла, газу і рідини, в той час як адгезія відбувається на межі двох фаз.

Роботу адгезії можна обчислити за рівнянням Юнга, наведеним в попередньому підрозділі:

.

Звідси

.

Підставляючи цей вираз у рівняння Дюпре

,

отримаємо

,

де – робота адгезії; – поверхня розділу фаз.

Маючи на увазі, що робота когезії і розділивши праву і ліву частини на 2, отримаємо

.

Оскільки змочування кількісно характеризується косинусом краєвого кута, то у відповідності з одержаним рівнянням воно визначається відношенням роботи адгезії до роботи когезії для змочуючої рідини.

Із рівняння можна зробити такі висновки.

1. При повному змочуванні , , , тобто робота адгезії в цьому випадку дорівнює когезії змочуючої рідини.

2. При незмочуванні , , , тобто робота адгезії у два рази менша від роботи когезії змочуючої рідини.

3. При повному незмочуванні , , , однак такий стан на практиці не реалізується, оскільки деяка адгезія завжди існує. Тому повного незмочування в реальних системах також бути не може.

Оскільки одне з найбільших значень краєвого кута при змочуванні водою спостерігається на поверхні тефлону (політетрафторетилену), то для цієї системи характерна і найменша адгезія, враховуючи, що краєвий кут дорівнює 108, а Дж/м² (при 25С). З попереднього рівняння отримуємо роботу адгезії, яка дорівнює Дж/м² ( ).·

Наведені рівняння мають велике практичне значення. З них випливає, що для збільшення змочування потрібно збільшити роботу адгезії або зменшити роботу когезії (поверхневий натяг) рідини, наприклад, введенням ПАР, підвищенням температури. Органічні рідини мають низькі поверхневі натяги і тому змочують більшість поверхонь різної природи. Так, вуглеводні, що мають поверхневий натяг Дж/м², змочують майже всі відомі тверді тіла. Вода змочує тільки полярні речовини. Ртуть погано змочує або не змочує більшість (особливо неметалевих) тіл.

Розрізняють декілька механізмів (і відповідно теорій адгезії) залежно від природи взаємодіючих тіл і умов, при яких відбувається адгезія. Механічна адгезія здійснюється шляхом затікання в пори і тріщини поверхні твердого тіла рідкого адгезиву. Згідно з молекулярним (адсорбційним) механізмом адгезія протікає завдяки молекулярним Ван-дер-Ваальсівським силам і водневим зв’язкам. Для такої адгезії можна застосовувати правило подібності речовин за полярністю:

Чим ближче за полярністю адгезив і субстрат, тим міцніший контакт між ними.

Електрична теорія зв’язує адгезію з виникненням подвійного електричного шару між адгезивом і субстратом. Дифузійний механізм передбачає взаємне проникнення атомів і молекул в поверхневі шари взаємодіючих фаз. Процес дифузії призводить неначе до розмивання межі розділу фаз, взаємному їх розчиненню в місцях контакту.

Окремо розглядається хімічна взаємодія при адгезії. В конкретних умовах один з механізмів може переважати, але в більшості випадків механізм адгезії виявляється змішаним.

Теоретична оцінка адгезії в даний час дуже наближена, що пояснюється не тільки недосконалістю рівнянь, за якими розраховуються сили міжмолекулярних зв’язків, але й тим, що неможливо оцінити реальне число зв’язків, які припадають на одиницю площі (воно завжди менше теоретичного, що говорить про можливість збільшення міцності з’єднання). Крім того, важко оцінити справжню площу контакту, яка іноді є набагато більшою від тієї, яку спостерігають візуально, завдяки шорсткості поверхневого шару. Для забезпечення міцності з’єднань шорсткість часто спеціально збільшують спеціальною обробкою поверхні матеріалів.

Роботу адгезії та адгезійну міцність експериментально визначають при безпосередньому руйнуванні з’єднань. Роботу адгезії можна визначити непрямими методами, які є особливо зручними, якщо хоча б одна з взаємодіючих фаз є рідиною, що дає можливість виміряти, наприклад, краєвий кут змочування.