Przyleganie fizyczne: z czego się składa i przykłady
Fizyczna przyczepność to połączenie dwóch lub więcej powierzchni tego samego materiału lub innego materiału, gdy wchodzą w kontakt. Jest wytwarzany przez siłę przyciągania Van der Waalsa i przez oddziaływania elektrostatyczne, które istnieją między cząsteczkami i atomami materiałów.
Siły Van der Waalsa są obecne we wszystkich materiałach, są atrakcyjne i pochodzą z oddziaływań atomowych i molekularnych. Siły Van der Waalsa są spowodowane indukowanymi lub trwałymi dipolami wytworzonymi w cząsteczkach przez pola elektryczne sąsiednich cząsteczek; lub przez chwilowe dipole elektronów wokół jąder atomowych.
Oddziaływania elektrostatyczne opierają się na tworzeniu podwójnej warstwy elektrycznej, gdy dwa materiały wchodzą w kontakt. Ta interakcja wytwarza elektrostatyczną siłę przyciągania pomiędzy dwoma materiałami, podczas wymiany elektronów, zwaną siłą kulombowską.
Przyczepność fizyczna powoduje przyleganie cieczy do powierzchni, na której spoczywa. Na przykład, gdy woda jest umieszczana na szkle, na powierzchni powstaje cienka i jednolita folia z powodu sił adhezji między wodą a szkłem. Siły te działają między molekułami szkła i molekułami wody i utrzymują wodę na powierzchni szkła.
Co to jest przestrzeganie fizyczne?
Przyleganie fizyczne jest właściwością powierzchni materiałów, która pozwala im pozostać razem w kontakcie. Jest to bezpośrednio związane z wolną energią powierzchniową ( ΔE ) w przypadku przyczepności ciało stałe-ciecz.
W przypadku adhezji ciecz-ciecz lub ciecz-gaz, swobodna energia powierzchni jest nazywana napięciem międzyfazowym lub powierzchniowym.
Wolna energia powierzchniowa jest energią potrzebną do wygenerowania jednostki powierzchni materiału. Prace adhezyjne (adhezja) można obliczyć na podstawie swobodnej energii powierzchniowej dwóch materiałów.
Praca adhezyjna jest definiowana jako ilość energii dostarczanej do systemu, aby przerwać interfejs i utworzyć dwie nowe powierzchnie.
Im większa przyczepność, tym większa odporność na rozdzielenie dwóch powierzchni. Praca adhezyjna mierzy siłę przyciągania pomiędzy dwoma różnymi materiałami w kontakcie.
Równania
Wolna energia rozdziału dwóch materiałów, 1 i 2, jest równa różnicy między swobodną energią po rozdzieleniu ( końcowe γ ) i swobodną energią przed rozdzieleniem ( początkowe γ ).
ΔE = W 12 = końcowy γ - początkowy γ = γ 1 + γ 2 - γ 12 [1]
γ 1 = swobodna energia powierzchniowa materiału 1
γ 2 = swobodna energia powierzchniowa materiału 2
Ilość W 12 jest pracą adhezyjną, która mierzy siłę przyczepności materiałów.
γ 12 = swobodna energia międzyfazowa
Gdy adhezja zachodzi między materiałem stałym a materiałem ciekłym, praca przylegania jest następująca:
W SL = γ S + γ LV - γ SL [2]
γ S = swobodna energia powierzchniowa ciała stałego w równowadze z własną parą
γ LV = swobodna energia powierzchniowa cieczy w równowadze z parą wodną
W SL = przyczepność między materiałem stałym a cieczą
γ 12 = swobodna energia międzyfazowa
Równanie [2] jest zapisywane jako funkcja ciśnienia równowagi (π equil ), która mierzy siłę na jednostkę długości cząsteczek adsorbowanych na interfejsie.
π equil = γ S - γ SV [3]
γ SV = swobodna energia powierzchniowa ciała stałego w równowadze z parą wodną
W SL = π equil + γ SV + γ LV - γ SL [4]
Przy zastępowaniu γ SV - γ SL = Otrzymano γ LV cos θ C w równaniu [4]
W SL = π equil + γ SL (1 + cos θ C ) [5]
θ C to kąt zwilżania w równowadze między powierzchnią stałą, kroplą cieczy i pary.
Równanie [5] mierzy przyczepność między powierzchnią stałą a powierzchnią cieczy dzięki sile adhezji między cząsteczkami obu powierzchni.
Przykłady
Przyczepność opon
Przyczepność fizyczna jest ważną cechą oceny wydajności i bezpieczeństwa opon. Bez dobrej przyczepności opony nie mogą przyspieszać, ani hamować pojazdu, ani być kierowane z miejsca na miejsce, a bezpieczeństwo kierowcy może być zagrożone.
Przyczepność opony wynika z siły tarcia między powierzchnią opony a powierzchnią nawierzchni. Wysokie bezpieczeństwo i wydajność będą zależały od przyczepności na różnych powierzchniach, zarówno szorstkich, jak i śliskich, oraz w różnych warunkach atmosferycznych.
Z tego powodu każdego dnia inżynieria motoryzacyjna rozwija się w uzyskiwaniu odpowiednich projektów opon, które umożliwiają dobrą przyczepność nawet na mokrych nawierzchniach.
Przyczepność polerowanych szklanych płyt
Kiedy dwie wypolerowane i zwilżone płytki szklane wchodzą w kontakt, doświadczają one fizycznej przyczepności, która jest obserwowana w wysiłku, który musi być zastosowany, aby pokonać odporność na rozdzielanie płytek.
Cząsteczki wody wiążą się z cząsteczkami górnej płyty i podobnie przywierają do dolnej płyty, zapobiegając rozdzieleniu się obu płytek.
Cząsteczki wody mają silną kohezję ze sobą, ale wykazują również silną adhezję do cząsteczek szkła ze względu na siły międzycząsteczkowe.
Przyczepność zębów
Przykładem przylegania fizycznego jest płytka nazębna przyczepiona do zęba, który zwykle jest umieszczany w zabiegach odbudowy zębów. Przyczepność przejawia się na styku materiału klejącego i struktury zęba.
Skuteczność umieszczania emalii i zębin w tkankach zębów oraz włączenie sztucznych struktur, takich jak ceramika i polimery, które zastępują strukturę dentystyczną, będzie zależeć od stopnia przyczepności zastosowanych materiałów.
Przyczepność cementu do struktur
Dobra fizyczna przyczepność cementu do struktur z cegły, muru, kamienia lub stali przejawia się w wysokiej zdolności do pochłaniania energii pochodzącej z normalnych i stycznych wysiłków na powierzchnię, która łączy cement ze strukturami, czyli w wysoka zdolność do wytrzymywania obciążeń.
Aby uzyskać dobrą przyczepność, w połączeniu cementu ze strukturą, konieczne jest, aby powierzchnia, na której ma być umieszczony cement, miała wystarczającą absorpcję i aby powierzchnia była wystarczająco chropowata. Brak przyczepności powoduje pęknięcia i oderwanie przyklejonego materiału.
