- Co to jest przyleganie fizyczne?
- Równania
- Przykłady
- Przyczepność opony
- Przyczepność polerowanych płyt szklanych
- Adhezja zębów
- Przyczepność cementu do konstrukcji
- Bibliografia
Adhezji fizycznej jest wiązania pomiędzy dwoma lub więcej powierzchniami tego samego materiału lub z różnych materiałów w kontakcie. Jest wytwarzany przez siłę przyciągania Van der Waalsa i przez interakcje elektrostatyczne, które istnieją między cząsteczkami i atomami materiałów.
Siły Van der Waalsa są obecne we wszystkich materiałach, są atrakcyjne i wywodzą się z oddziaływań atomowych i molekularnych. Siły Van der Waalsa są spowodowane indukowanymi lub trwałymi dipolami tworzonymi w cząsteczkach przez pola elektryczne sąsiednich cząsteczek; lub przez chwilowe dipole elektronów wokół jąder atomowych.
Trzy M&M są przyklejone
Oddziaływania elektrostatyczne polegają na tworzeniu się podwójnej warstwy elektrycznej podczas zetknięcia się dwóch materiałów. Ta interakcja wytwarza elektrostatyczną siłę przyciągania między dwoma materiałami, poprzez wymianę elektronów, zwaną siłą Coulomba.
Fizyczne przyleganie powoduje, że ciecz przywiera do powierzchni, na której spoczywa. Na przykład, gdy woda jest umieszczana na szkle, na powierzchni tworzy się cienki, jednolity film z powodu sił adhezji między wodą a szkłem. Siły te działają między cząsteczkami szkła i cząsteczkami wody, utrzymując wodę na powierzchni szkła.
Co to jest przyleganie fizyczne?
Fizyczne przyleganie to właściwość powierzchni materiałów, która pozwala im pozostać razem w kontakcie. Jest to bezpośrednio związane z swobodną energią powierzchniową (ΔE) dla przypadku adhezji ciało stałe-ciecz.
W przypadku adhezji ciecz-ciecz lub ciecz-gaz swobodna energia powierzchniowa nazywana jest napięciem międzyfazowym lub powierzchniowym.
Wolna energia powierzchniowa to energia potrzebna do wytworzenia jednostki pola powierzchni materiału. Na podstawie swobodnej energii powierzchniowej dwóch materiałów można obliczyć pracę adhezji (adhezji).
Adhezję definiuje się jako ilość energii dostarczanej do systemu, aby przerwać interfejs i stworzyć dwie nowe powierzchnie.
Im większa przyczepność, tym większa odporność na rozdzielenie obu powierzchni. Adhezja mierzy siłę przyciągania między dwoma różnymi materiałami w kontakcie.
Równania
Wolna energia rozdzielenia dwóch materiałów, 1 i 2, jest równa różnicy między swobodną energią po separacji ( końcowe γ ) i swobodną energią przed separacją ( początkowa γ ).
ΔE = W 12 = ostateczne γ - początkowe γ = γ 1 + γ 2 - γ 12
γ 1 = swobodna energia powierzchniowa materiału 1
γ 2 = swobodna energia powierzchniowa materiału 2
Wielkość W 12 to praca adhezyjna, która mierzy siłę przyczepności materiałów.
γ 12 = swobodna energia międzyfazowa
Gdy przyczepność występuje między materiałem stałym a materiałem płynnym, praca adhezyjna jest:
W SL = γ S + γ LV - γ SL
γ S = swobodna energia powierzchniowa ciała stałego w równowadze z własną parą
γ LV = swobodna energia powierzchniowa cieczy w równowadze z parą
W SL = praca adhezyjna między materiałem stałym a cieczą
γ 12 = swobodna energia międzyfazowa
Równanie jest zapisywany w zależności od ciśnienia równowagi (π equil ), który mierzy siłę na jednostkę długości zaadsorbowanych cząsteczek na powierzchni styku.
π equil = γ S - γ SV
γ SV = swobodna energia powierzchniowa ciała stałego w równowadze z parą
W SL = π equil + γ SV + γ LV - γ SL
Podstawiając γ SV - γ SL = γ LV cos θ C w otrzymanym równaniu
W SL = π equil + γ SL (1 + cos θ C )
θ C jest równowagowym kątem zwilżania powierzchni ciała stałego, kropli cieczy i pary.
Trójfazowy kąt zwilżania, stała ciecz i gaz.
Równanie mierzy pracę adhezji między powierzchnią stałą a powierzchnią cieczy z powodu siły adhezji między cząsteczkami obu powierzchni.
Przykłady
Przyczepność opony
Przyczepność fizyczna jest ważną cechą oceny wydajności i bezpieczeństwa opon. Bez dobrej przyczepności opony nie mogą przyspieszać, hamować pojazdu ani być kierowane z jednego miejsca na drugie, co może zagrozić bezpieczeństwu kierowcy.
Przyczepność opony wynika z siły tarcia między powierzchnią opony a nawierzchnią chodnika. Wysokie bezpieczeństwo i wydajność będą zależeć od przyczepności do różnych powierzchni, zarówno chropowatych, jak i śliskich, w różnych warunkach atmosferycznych.
Z tego powodu każdego dnia inżynieria motoryzacyjna rozwija się w zakresie uzyskiwania odpowiednich konstrukcji opon, które zapewniają dobrą przyczepność nawet na mokrych nawierzchniach.
Przyczepność polerowanych płyt szklanych
Kiedy stykają się dwie wypolerowane i zwilżone płytki szklane, doświadczają fizycznej przyczepności, którą można zaobserwować przy wysiłku, jaki należy zastosować, aby pokonać opór oddzielania płytek.
Cząsteczki wody wiążą się z cząsteczkami górnej płytki i podobnie przylegają do dolnej płytki, zapobiegając rozdzielaniu się obu płytek.
Cząsteczki wody mają silną kohezję ze sobą, ale również silnie przylegają do cząsteczek szkła z powodu sił międzycząsteczkowych.
Przyczepność dwóch płytek za pomocą płynu
Adhezja zębów
Przykładem fizycznego przylegania jest płytka nazębna przyklejona do zęba, który jest zwykle umieszczany podczas leczenia odtwórczego. Adhezja objawia się na styku materiału klejącego ze strukturą zęba.
Skuteczność umieszczania emalii i zębiny w tkankach zębowych oraz wprowadzania sztucznych struktur, takich jak ceramika i polimery, które zastępują strukturę zębową, będzie zależeć od stopnia przyczepności zastosowanych materiałów.
Przyczepność cementu do konstrukcji
Dobra fizyczna przyczepność cementu do konstrukcji ceglanych, murowanych, kamiennych czy stalowych przejawia się w dużej zdolności do pochłaniania energii pochodzącej z naprężeń normalnych i stycznych do powierzchni łączącej cement z konstrukcjami, czyli w wysoka zdolność przenoszenia obciążeń.
Aby uzyskać dobrą przyczepność, gdy cement styka się z konstrukcją, konieczne jest, aby powierzchnia, na którą ma być ułożony cement, miała wystarczającą nasiąkliwość i wystarczająco szorstką. Brak przyczepności przekłada się na pęknięcia i oderwanie sklejonego materiału.
Bibliografia
- Lee, L H. Fundamentals of Adhesion. Nowy Jork: Plenium Press, 1991, s. 1-150.
- Pocius, A V. Adhesives, Rozdział 27. JE Mark. Podręcznik właściwości fizycznych polimerów. Nowy Jork: Springer, 2007, s. 479-486.
- Israelachvili, J N. Siły międzycząsteczkowe i powierzchniowe. San Diego, Kalifornia: Academic Press, 1992.
- Zależność między siłami przyczepności i tarcia. Israelachvili, JN, Chen, You-Lung and Yoshizawa, H. 11, 1994, Journal of Adhesion Science and Technology, tom 8, str. 1231-1249.
- Zasady chemii koloidów i powierzchni. Hiemenz, PC and Rajagopalan, R. New York: Marcel Dekker, Inc., 1997.