Adheze - pokračování

Transkript

1 2. přednáška Adheze - pokračování Doc. Ing. Eva Kuželová Košťáková, Ph.D. Katedra netkaných textilií a nanovlákenných materiálů, FT, TUL Eva.kostakova@tul.cz Tel.: Budova B, 4. patro

2 Podmínky pro zamezení lepivosti Empirické a teoretické poznatky o adhezi je možno též vztahovat na technologické operace, u nichž máme snahu zabránit lepení adheziva na povrchy pomocných ploch. Takovými plochami jsou například povrchy kovových válců, sít, povrchy technologických nádob atd. Všeobecně se zjistilo, že většina adheziv je prakticky neúčinná při spojování (lepení) povrchů fólií vyrobených z teflonu (polytetrafluoretylenu), polypropylenu, polyetylenu. Těmito fóliemi lze pokrýt povrch pracovních válců a tím zamezit jejich lepivost. Další metoda zamezení lepivosti spočívá v aplikaci natěradel. Jsou to zejména: silikonové oleje, pasty, emulze a laky, roztoky anorganických solí (chloridu vápenatého, síranu zinečnatého, uhličitanu zinečnatého a dusitanu sodného).

3 ZÁKLADY TEORIE ADHEZE Postavení adheziv v technické praxi je protikladné ke skupině látek označovaných jako maziva. U obou typů materiálů sledujeme především velikosti sil vytvářených při styku s povrchy jiných materiálů. V případě adheziv usilujeme o to, aby tyto síly byly co největší, v druhém případě se snažíme styčné síly minimalizovat. Při spojování povrchů máme dvě možnosti: Vytvořit vazbu mechanickou. Příkladem prostředků pro dosažení mechanického spojení je šroubování, nýtování, přibíjení nebo vpichování, proplétání a prošívání u netkaných textilií, dále pak pletení a tkaní u klasických textilií. Vytvořit vazbu adhezní (fyzikálně chemickou) postupy označovanými jako lepení, klížení, svařování nebo pojení u netkaných textilií.

4 Mechanismus adheze Při velkém zvětšení se i seberovnější povrch jeví hrubý. Nerovnosti povrchů způsobují, že při kontaktu pevných látek dochází k přímému styku jen malých částí jejich povrchů. Odhaduje se, že při položení dvou skleněných destiček na sebe je v přímém kontaktu pouze 1% jejich plošného obsahu. Ze zkušenosti víme, že síla přitahující suché destičky k sobě je zanedbatelná. Velikost této síly můžeme podstatně zvětšit tím, že mezi destičky kápneme kapalinu, která zajistí téměř 100% využití plošného obsahu povrchu skleněné destičky pro přímý kontakt.

5 Důležitou roli při vytváření adhezního spoje hraje využití povrchů adheziva i adherenda pro přímý kontakt. Obr.III.2.2: Schematické znázornění přímého kontaktu (1) mezi dvěma pevnými tělesy (3) a (4). Vyplní-li se prázdný prostor (2) kapalinou, je tím podstatně zvětšena plocha přímého kontaktu mezi konstituenty spoje.

6 TEORIE ADHEZE Teorie chemické adheze vznik chemických vazeb na rozhraní adheziva a adherenda. Teorie mechanické adheze představa o zaklesnutí lepených povrchů. Předpokládá se, že adhezivo obklopuje části adherenda, které jim pronikají podobně jak bylo popsáno u tunelového a lamelového spoje v netkaných textiliích. Podobné mechanismy lze předpokládat u adherend s porézním povrchem (textil, papír, zpěněné polymery). Příklad mechanické adheze mezi porézním povrchem adherenda (1) a adhezivem (2).

7 TEORIE ADHEZE Teorie elektrostatických sil Teorie elektrostatických sil byla vypracována Derjaginem, který přinesl experimentální důkaz o příspěvku elektrostatických sil v adhezním spoji. V průběhu lámání adhezních spojů zjistil změny rozložení elektrostatického náboje. Difusní teorie adheze Difusní teorie vysvětluje adhezní vazbu na základě vzájemného difusního pronikání molekul adheziva do oblastí adherenda a naopak. Definice: Difuze je samovolný proces pronikání částic jedné látky do druhé se snahou o rovnoměrné prostoupení po celém objemu.

8 DOSAH ADHEZNÍCH SIL Adhezní síly mají některé rysy, které nemohou být přímo vysvětleny známými meziatomovými a molekulárními silami. Derjagin (60. léta 20.století) vážkovým experimentem ukázal, že dosah adhezních sil je neobvykle velký. Při experimentu byly od sebe vzdalovány dvě slídové destičky. Jejich vzájemné silové působení bylo měřitelné ještě na vzdálenost 100 nm. Přitom primární i sekundární (molekulární síly) mají dosah od 0,1 do 2 nm. Zmíněná vyjímečnost adhezních sil zřejmě spočívá v tom, že jejichž kolektivní chování je odlišné od silových projevů izolovaných molekul.

9 ADHEZE KAPALIN K PEVNÝM LÁTKÁM Povrchové napětí a povrchová energie Důležitým pojmem i prostředkem pro popis adhezní vazby mezi kapalinou a pevnou látkou je povrchové napětí kapalin. Fyzikální význam vysvětluje Maxwellův pokus.

10 Povrchové napětí - vysvětlení Maxwellův pokus:pevný kovový rámeček, pohyblivé raménko na které působí síla F. Délka pohyblivého raménka je L. Do rámečku se umístí tenká vrstva kapaliny, kterou je nutno udržovat v rovnováze působením síly F na pohyblivé raménko délky L. Síla působící na jednotkovou délku raménka dělená dvěma je rovna povrchovému napětí F 2L

11 F 2L TEORIE NETKANÝCH TEXTILIÍ Povrchové napětí: Koeficient 2 = dva vznikající povrchy Povrchové napětí je vektorová veličina, jejíž velikost je číselně rovna povrchové energii W. Pojem povrchové energie W je objasňován při sledování práce A dodané k posunutí pohyblivého raménka o malou vzdálenost ds ve směru působící síly. Dodaná práce A se přemění na energii vázanou na povrchu kapaliny. Velikost nově vytvořeného povrchu kapaliny je L ds. Odtud plyne, že pro energii W připadající na jednotkový povrch platí

12 Povrchové napětí a energie jsou vázány na vrstvu kapaliny v blízkém okolí povrchu kapaliny díky krátkému dosahu sekundárních (molekulárních) sil, které jsou podstatou těchto jevů. Představme si molekulu kapaliny, která je obklopena ostatními molekulami téže látky. Sféra molekulárního působení je kulovitá oblast, v jejímž středu leží vybraná molekula kapaliny a jejíž poloměr je roven dosahu sekundární sil mezi molekulami této kapaliny.

13 Sféra molekulárního působení je pak sférická oblast o poloměru rovném dosahu sekundárních sil. Z hlediska vzájemné polohy sledované molekuly a povrchu kapaliny mohou nastat dva případy. V prvém z nich je molekula od nejbližší oblasti povrchu kapaliny vzdálena více než je poloměr sféry molekulárního působení. Potom můžeme předpokládat, že rozmístění okolních molekul je v prostoru rovnoměrně náhodné a výsledná působící síla na molekulu ve středu sféry je nulová. Druhý případ znázorňuje molekulu v blízkosti povrchu kapaliny. Nesouměrné rozmístění okolních molekul pak vyvolá výslednou sílu ve směru kolmém k povrchu kapaliny.

14 Kapka na podložce - příklad Povrchové napětí je způsobeno sílami od nevyvážených molekul kapaliny na povrchu kapaliny. TEORIE NETKANÝCH TEXTILIÍ

15 Při tvorbě nového povrchu kapaliny, například deformováním tvaru kapky, musíme silově působit na ty molekuly, jejichž sféry molekulárního působení přesouváme do blízkosti povrchu kapaliny. Při těchto posunech se mění práce vnějších sil na povrchovou energii. Jev povrchové energie a napětí je vázán na tenké vrstvy povrchu kapaliny. Charakteristická tloušťka těchto vrstev se odhaduje z dosahu sekundárních sil a činí několik nm.

16 Energie adhezní vazby Energie adhezní vazby W A mezi kapalinou a pevnou látkou je energie uvolněná soustavou při vzniku této vazby. Energie adhezní vazby je též rovna energii nutné k porušení téže vazby. Hodnotu W A můžeme určit z Dupreho rovnice, která je založena na zákonu zachování energie. Představme si kapalinu a pevnou látku, které k sobě přilnou jednotkovými povrchy. Před kontaktem má povrch kapaliny povrchovou energii W a pevná látka W P. Jednotkové povrchy (3), kapaliny (1), pevné látky (2) a rozhraní pevná látka - kapalina (4) mají pořadě povrchové energie W, W P, W KP. Během kontaktu je uvolněná povrchová energie spotřebována na vznik adhezní vazby.

17 Kontaktem kapaliny s pevnou látkou vytvoříme jediné rozhraní o povrchové energii W KP. Předpokládáme-li, že veškerá energie uvolněná během kontaktu je přeměněna na adhezní energii W A. Pro rozhraní kapalina - pevná látka, můžeme psát Dupreho rovnici ve tvaru W WP WKP WA. Je obtížné použít Dupreho rovnici k zjišťování hodnot adhezní energie W A, protože veličiny W KP a W P jsou velmi špatně měřitelné současnými experimentálními postupy. Tento nedostatek se dá obejít tím, že do rovnice dosadíme veličiny vystupující v Youngově rovnici.

18 Youngova rovnice popisuje rovnováhu kapky kapaliny na podložce z pevné látky za předpokladu, že povrch pevné látky je zcela rovný, tvar pevné látky se během smáčení nemění a kapalina neproniká do povrchu pevné látky.

19 Youngova rovnice Rovnovážný stav kapky na podložce je takový, při kterém nedochází k pohybu hranice kapky. To je podmíněno rovnováhou složek povrchových napětí, PK, P ležících v rovině podložky. Zmíněnou rovnováhu popisuje Youngova rovnice, kde je úhel smáčení. P cos KP, Vertikální řez procházející středem kapky (1) ležící na pevné podložce (2). Úhel smáčení je označen.

20 Číselná hodnota povrchových napětí i je rovna příslušné povrchové energii W i. Proto můžeme rozdíl W P - W KP nahradit součinem W cos. Odtud získáme W A W W cos. Pro určení energie adhezní vazby W A mezi kapalinou a pevnou látkou stačí zjistit povrchové napětí kapaliny a úhel smáčení. Energie adhezní vazby roste s rostoucí hodnotou cos. Nejvyšší hodnoty dosahuje při úplném smáčení ( = O ). Pak W A = 2W.

21 KONTAKTNÍ ÚHLY TEORIE NETKANÝCH TEXTILIÍ

22 nesmáčení Zanedbatelné smáčení Částečné smáčení Částečné smáčení Kompletní smáčení Rozprostírání Roztírání lejpt.academicdirect.org

23 Povrchové napětí kapaliny kapky Nízká povrchová energie, nesmáčení Vysoká povrchová energie, dobré smáčení a adheze Povrchová energie testovaného povrchu pevné látky

24 Metody měření kontaktního úhlu TEORIE NETKANÝCH TEXTILIÍ Five ways that the contact angle (q) can be measured. (A.) Sessile or Static drop. (B.) Wilhelmy plate method. (C.) Captive air bubble method. (D.) Capillary rise method. (E.) Tilting substrate method. Figure adapted from Ratner, et. al.

25 Metoda projekce kapky TEORIE NETKANÝCH TEXTILIÍ

26 Metoda projekce kapky (bublinky) Bublinka v kapalině

27 Metoda nakloněné roviny TEORIE NETKANÝCH TEXTILIÍ

28 Metoda nakloněné roviny Měření kontaktního úhlu pomocí naklánějící se destičky až do vymizení menisku kapaliny na jedné straně destičky.

29 Určení úhlu smáčení z průměru podstavy a výšky sférické kapky R 2 sin d, 2R 2 d 2 R h. 2 4dh arcsin 2 2. d 4h

30

31 Mikrotenziometrie vlákna B obvod vlákna nebo destičky F arccos. B K

32 Kontaktní úhel a prekurzní film TEORIE NETKANÝCH TEXTILIÍ