Смачивание и адгезия

Основные понятия и определения

Смачивание — это процесс распространения жидкой фазы по твердой поверхности, характеризующийся степенью контакта жидкости с поверхностью. Он определяется взаимодействием между молекулами жидкости и молекулами твердого тела. Смачивание играет ключевую роль в процессах адгезии, коррозии, покрытий, печати, биомедицине и многих других областях.

Адгезия — это способность двух различных материалов (чаще всего твердого и жидкого или двух твердых тел) прочно сцепляться друг с другом на молекулярном уровне. В физике поверхности и тонких пленок адгезия рассматривается как результат взаимодействия на границе раздела фаз.

Механизм смачивания и контактный угол

Смачивание характеризуется контактным углом θ, который образует жидкая капля с твердой поверхностью. Контактный угол определяется равновесием сил поверхностного натяжения на трехфазной границе: жидкость–твердое тело–газ (или другая среда).

Контактный угол можно измерить экспериментально, он служит индикатором степени смачивания поверхности:

  • θ < 90∘ — хорошее смачивание (жидкость распространяется по поверхности),
  • θ > 90∘ — плохое смачивание (капля сохраняет форму).

Уравнение Янгa — Лапласа

Для контактного угла справедливо классическое уравнение Янгa:

γSG = γSL + γLGcos θ,

где

  • γSG — поверхностное натяжение твердой фазы с газом,
  • γSL — поверхностное натяжение между твердым телом и жидкостью,
  • γLG — поверхностное натяжение жидкости с газом,
  • θ — равновесный контактный угол.

Это уравнение устанавливает связь между межфазными поверхностными энергиями и контактным углом, описывая баланс сил на трехфазной границе.

Типы смачивания

В зависимости от величины контактного угла выделяют следующие режимы смачивания:

  • Полное смачивание: θ = 0∘. Жидкость полностью распространяется по поверхности, образуя тонкую пленку.
  • Частичное смачивание: 0∘ < θ < 90∘. Жидкость распространяется, но сохраняет форму капли.
  • Несмачивание: θ > 90∘. Капля сохраняет выпуклую форму, жидкость не распространяется.

Факторы, влияющие на смачивание

  1. Химический состав поверхности. Поверхности с полярными или гидрофильными группами обладают большей склонностью к смачиванию полярными жидкостями (например, водой).

  2. Поверхностная энергия твердого тела. Чем выше поверхностная энергия, тем лучше смачивание.

  3. Структура и шероховатость поверхности. Микрорельеф поверхности может либо усиливать смачивание (эффект капиллярного проникновения), либо препятствовать ему (эффект “водоотталкивания”).

  4. Температура. С повышением температуры меняются поверхностные натяжения и вязкость жидкости, что влияет на контактный угол.

  5. Примеси и загрязнения. Наличие пленок или загрязнений изменяет свойства поверхности, иногда резко снижая смачиваемость.

Адгезия: виды и механизмы

Адгезия возникает за счет различных физических и химических взаимодействий между контактирующими фазами:

  • Механическая адгезия: взаимное сцепление за счет проникновения одной фазы в поры или шероховатости другой.
  • Физико-химическая адгезия: вызвана межмолекулярными взаимодействиями — ван-дер-ваальсовыми силами, электростатическими, водородными связями.
  • Химическая адгезия: образование химических связей на границе раздела.

Энергия адгезии

Энергия адгезии WA — это работа, необходимая для разрыва контактной поверхности между двумя фазами. Она связана с поверхностными энергиями следующим соотношением:

WA = γ1 + γ2 − γ12,

где γ1 и γ2 — поверхностные энергии отдельных фаз, γ12 — энергия границы между ними.

Для жидкости, смачивающей твердую поверхность, энергия адгезии связана с контактным углом через уравнение Фавре:

WA = γLG(1 + cos θ).

Энергия адгезии тем выше, чем меньше контактный угол.

Модели смачивания и адгезии на шероховатых поверхностях

Реальные поверхности редко бывают идеально гладкими. Для них вводятся модели, учитывающие шероховатость:

  • Модель Веттера: контактный угол на шероховатой поверхности θr связан с углом на гладкой θ и коэффициентом шероховатости r:

cos θr = rcos θ,

где r — отношение реальной площади поверхности к проекции.

  • Модель Кассега-Баукса: учитывает эффект “ловушек” воздуха на шероховатых гидрофобных поверхностях, вызывая эффекты сверхгидрофобности.

Контактная линия и её подвижность

Контактная линия — линия пересечения трех фаз (жидкость–твердое тело–газ). Её движение связано с процессами смачивания и расслаивания. Подвижность контактной линии зависит от:

  • Вязкости жидкости,
  • Химического состава и шероховатости поверхности,
  • Величины контактного угла и его гистерезиса.

Гистерезис контактного угла — разница между максимальным (углом отрыва) и минимальным (углом смачивания) контактным углом, возникающая из-за неоднородностей поверхности.

Практическое значение смачивания и адгезии

  • В технологии нанесения покрытий и красок качество смачивания определяет адгезию покрытия и его долговечность.
  • В микро- и нанотехнологиях контроль смачивания позволяет создавать водоотталкивающие или супергидрофильные поверхности.
  • В биомедицине важна адгезия клеток к имплантатам и тканям.
  • В химической промышленности смачивание влияет на процессы катализа, адсорбции и реакции на границах раздела.

Методы измерения смачивания и адгезии

  • Метод контактного угла: наиболее распространенный способ оценки смачивания.
  • Тест капли: наблюдение за формой и поведением капли жидкости.
  • Метод отрыва капли: измерение силы, необходимой для срыва капли с поверхности.
  • Адгезиметрия: измерение силы адгезии между слоями или пленками.

Влияние поверхностных модификаций

Специальные обработки поверхности (химические, плазменные, нанесение тонких пленок) изменяют её энергию и структуру, что позволяет целенаправленно регулировать смачивание и адгезию. Например:

  • Фторсодержащие покрытия делают поверхности гидрофобными.
  • Гидроксилсодержащие группы увеличивают гидрофильность.

Закономерности смачивания тонких пленок

При нанесении тонких жидких пленок на твердую поверхность возникает конкуренция между смачивающими и дисперсионными силами, приводящая к разнообразным структурам пленок (однослойные, многослойные, островковые). Толщина пленки, её стабильность и переходы фаз зависят от межфазных взаимодействий и термодинамических параметров.

Заключение

Физика смачивания и адгезии — фундаментальная область, обеспечивающая понимание процессов на границах раздела фаз. Глубокое знание механизмов смачивания и факторов, влияющих на адгезию, позволяет создавать материалы с заданными свойствами и управлять процессами в самых разных технологических и научных областях.

Оглавление