Поверхностное натяжение и смачивающая способность расплавов.

На поверхности любого вещества наблюдается обрыв связей структурных образований. Энергия поверхности всегда больше энергии объема. Поскольку всякая система стремится к минимуму своей свободной энергии, то система, имеющая поверхность раздела, также стремится уменьшить поверхностную энергию за счет сокращения самой поверхности. Это сокращение осуществляется за счет сил поверхностного натяжения, являющихся результатом действия сил поверхностной энергии.

Поверхностным натяжением а называется сила, действующая на единицу длины тангенциально к поверхности, т.е. поверхностное натяжение определяется энергией, приходящейся на единицу площади, Дж/м²:

где Q — поверхностная энергия, Дж; а — сила поверхностного натяжения; S — поверхность, м².

Очевидно, что чем больше энергия межатомной химической связи, тем больше поверхностное натяжение. Поверхностная энергия и поверхностное натяжение у твердых тел значительно больше, чем у жидкостей. У тугоплавких веществ удельная поверхностная энергия выше, чем у легкоплавких.

Значения поверхностного натяжения ряда веществ варьируют в широких пределах:

• — вода: а = 0,04—0,06 Дж/м²;
• — силикатные расплавы: а = 0,2—03 Дж/м²;
• — алмаз: а = 11 Дж/м².

Поверхностное натяжение зависит от состава и температуры. Поверхностное натяжение силикатных расплавов убывает при введении щелочных ионов с увеличением ионного радиуса в ряду Li⁺>Na⁺>K⁺. Введение А1³⁺ приводит к возрастанию поверхностного натяжения силикатных расплавов.

А. А. Аппен предложил применять для расчета поверхностного натяжения аддитивное правило:

где с, — содержание оксида в молярных долях; а,— парциальные величины поверхностного натяжения оксида.

Все оксиды по их влиянию на поверхностное натяжение силикатных расплавов разделяют на три группы:

• 1. Поверхностно-неактивные: (Si0₂, Ti0₂, CaO, Na₂0).
• 2. Промежуточного характера: (К₂0, РЬО, В₂0₃).
• 3. Поверхностно-активные, снижающие поверхностное натяжение: (СЮ₄²-, Mn0₄²-, wo₄²-, so₄²-, vo₄²-).

Эти вещества мало растворимы в силикатах, концентрируются на поверхности и имеют более низкую поверхностную энергию.

При нагревании происходит быстрое снижение поверхностного натяжения стекол до почти постоянной величины (см. рис. 76). При температурах выше 800 °С прирост температуры на 100 °С приводит к снижению поверхностного натяжения на 1 %. Поверхностное натяжение играет важную роль в процессе удаления пузырей при варке стекла, производстве волокна из шлаков, расплавов стекол и других оксидов, глазуровании, спекании керамики.

Рис. 76. Зависимость поверхностного натяжения стекол от температуры:

• 1 — натрий-калий-свинцовое стекло; 2 — калий-свинцовое стекло;
• 3 — натрий-калий-цинковое стекло

Смачивающая способность расплавов. Если капля жидкости находится на твердой поверхности (см. рис. 77), то на границах раздела трех фаз: твердое — Т, жидкое — Ж, газ — Г действуют силы поверхностного натяжения: s_Tn 5_ТЖ, 5_ЖГ. Эти силы направлены тангенциально к каждой границе раздела фаз.

Краевым углом смачивания 0 называется угол, образуемый касательной к поверхности жидкой фазы, проведенной из точки соприкосновения трех фаз и замеренный в жидкой фазе.

В точке А при равновесии сил справедливо выражение

При увеличении смачивания жидкость распределяется более тонким слоем по поверхности твердой фазы. При полном смачивании угол 0 = 0 и cos0 = 1, при несмачивании 0>9О°, cos0 < 0.

167

Анализ этого выражения показывает, что смачивание поверхности тела жидкостью тем лучше (угол 9 меньше, cosG больше), чем больше поверхностное натяжение на границе Т-Г и меньше на границе Т-Ж и Ж-Г. Если поверхностная энергия раздела Т-Ж велика, то капля стремится принять форму шара, чтобы уменьшить поверхность соприкосновения этих фаз. Если же велика энергия поверхности раздела Т-Г, капля стремится растечься по возможности на большей площади твердой фазы, чтобы устранить эту поверхность.

Рис. 77. Схема действия сил на границе раздела трех фаз — твердой (т), жидкой (ж) и газообразной (г):

а — расплав смачивает поверхность твердой фазы; б — расплав не смачивает поверхность твердой фазы

Смачивающая способность расплавов играет решающую роль в процессах эмалирования, глазурования, окрашивания любых поверхностей, при жидкостном спекании, при водопроницаемости по капиллярам, при изготовлении эмульсий типа «вода в масле» и «масло в воде».