Смачиваемость пигментов

Смачивание является первой стадией взаимодействия пигментов с растворами и расплавами пленкообразователей при производстве лакокрасочных материалов. Смачиваемость пигментов определяется как энергетическими параметрами систем, так и кинетическими, зависящими от размеров и формы пигментных частиц, плотности их упаковки, структуры пор, а также вязкости смачивающей жидкости.

Различие между поверхностными явлениями смачивания и адгезии заключается в том, что смачивание происходит при наличии сопряженных фаз — газовой, жидкой и твердой, а адгезия имеет место между двумя фазами — жидкой и твердой — после удаления газа, т. е. после смачивания.

Термодинамика смачивания. Адгезия жидкости к поверхности твердого тела Wа оценивается работой, которую необходимо затратить для отрыва жидкости от единицы твердой поверхности. Количественно смачиваемость характеризуют равновесным углом смачивания q на границе раздела трех фаз. Твердое тело лиофильно, т. е. смачивается жидкостью, если 0°<q<90°, и лиофобно, т. е. не смачивается, если 90°<q<180° (Рис.).

Значение краевого угла смачивания q определяется соотношением удельных поверхностных энергий на границе раздела трех контактирующих фаз:

cosq = (sт-г - sт-ж )/sж-г ,

где s — поверхностное натяжение на соответствующей границе раздела.

Работа адгезии равна:

Wа = sж-г + sт-г - sт-ж,

Из этих двух уравнений получено выражение работы адгезии Дюпре — Юнга:

Wа = sж-г (1+cosq)

При полном смачивании (q = 0) Wа = 2sж-г, при отсутствии смачивания (q=180°) Wа = 0.

Смачивание и растекание жидкости по твердой поверхности может происходить только в том случае, когда работа адгезии больше межмолекулярного взаимодействия в самой жидкости, т. е. работы когезии. При растекании жидкости происходит замена поверхности раздела твердое тело — газ на жидкость — газ с образованием прослойки твердое тело — жидкость. Общая поверхностная энергия системы при этом уменьшается на величину

DU = sж-г— sт-г, которая является движущей силой смачивания. В случае отрицательного значения DU происходит самопроизвольное и полное смачивание с выделением тепловой энергии. При положительном значении DU смачивание возможно только при подводе энергии извне, т. е. при нагревании или механическом трении.

Возможность смачивания определяется прежде всего химической природой жидкости и твердого тела, а также запасом поверхностной энергии. Жидкости с малым запасом поверхностной энергии — низким поверхностным натяжением хорошо смачивают поверхности с высокой энергией. Для органических жидкостей способность смачивать поверхность ограничивается так называемым критическим поверхностным натяжением sкр, т. е. максимальным поверхностным натяжением, при котором еще возможно смачивание данного пигмента. По значению sкр косвенно можно оценивать поверхностную энергию пигментов и ее изменения при модифицировании поверхности.

Кинетика смачивания. Процесс растекания жидкости проходит со значительными задержками и может останавливаться задолго до достижения равновесного краевого угла смачивания q. Задержку продвижения границы жидкости на твердой поверхности называют гистерезисом смачивания. Различают три вида гистерезиса. Кинетический гистерезис обусловлен затратой времени на изменение ориентации молекул жидкости, мигрирующей по твердой поверхности. Особенно сильно он проявляется в высокоструктурированных пленкообразующих веществах. Порядковый или статический гистерезис обусловлен затратой энергии и времени на вытеснение находящихся всегда на твердой поверхности адсорбированных газов и паров жидкостей. Дисперсионный гистерезис
обусловлен затратой времени на преодоление неровностей поверхности. Он особенно сильно проявляется при смачивании порошков пигментов и возрастает с увеличением их дисперсности. Краевой угол q при смачивании порошков может быть намного больше, чем при смачивании того же материала с гладкой поверхностью (в монолите).

Частицы пигментов всегда агрегированы, и чем они меньше, тем прочнее контакты и меньше капиллярные каналы между ними и тем труднее проникать в них смачивающей жидкости. Скорость пропитки порошков жидкостью vпр описывается уравнением Уошберна:

где l — длина пути пройденного жидкостью в слое порошка за время t; r — средний радиус капилляров перового пространства между частицами; К—коэффициент, характеризующий упаковку частиц, их форму и извилистость каналов; sж-г — поверхностное натяжение смачивающего раствора; q — равновесный краевой угол смачивания; h — вязкость жидкости; W — энергия смачивания — движущая сила процесса пропитки порошка жидкостью.

Процесс смачивания порошка сопровождается выделением теплоты и десорбцией газов в количестве от 0,1 до 0,5 см3/г.

Избирательность и инверсия смачиваемости. Способность твердой поверхности смачиваться той или иной жидкостью (смачиваемость) определяется химической природой взаимодействующих фаз. Поверх­ность твердого тела всегда мозаична, имеет гидрофильные и гидро­фобные (олеофильные) участки. Жидкость обязательно переходит на лучше смачиваемые ею участки поверхности. Поэтому даже при полном растекании жидкости не исключена возможность наличия под ее слоем несмоченных участков. Преобладание тех или иных участков характеризует общую смачиваемость поверхности. Количественно свойства поверхности П. А. Ребиндер предложил оценивать по значению отношения теплот смачивания водой и гексаном (или бензолом):

b=Q1/Q2.

Если b > 1, поверхность гидрофильна, если нет — гидрофобна. Избирательность смачивания используют для перевода пигментов из водной среды в среду пленкообразователей, минуя процесс сушки. (Процесс «отбивки» воды (фляшинг-процесс)).