Udabilitatea suprafetelor - suprafata corpurilor lichide

UDABILITATEA SUPRAFETELOR

Ce se intimpla atunci cand picaturile de ploaie cad pe umbrela? Sau daca se toarna citeva picaturi de ulei in apa, sau vice versa. Se observa ca cele doua faze se separa: picaturile aluneca pe umbrela, iar in apa uleiul ramine sub forma de picaturi. Atit picaturile de apa pe umbrela cit si cele de ulei in apa vor avea mai mult sau mai putin o forma care sa minimizeze energia totala a sistemului.

Fie o faza solida S pe care se depun atomi sau molecule ale unei faze lichide L, ambele gasindu-se inconjurate de molecule de gaz G. Unghiul θ pe care picatura il face cu substratul se numeste unchi de contact si depinde de tensiunea interfaciala a speciilor prezente.

S

Fig.1 Unghiul de contact la echilibru pe o suprafata solida

Scriind echilibrul fortelor, in sistemul considerat, se obtine ecuatia lui Young:

 (1.2.13)

in care γ sunt tensiunile interfaciale, iar γ_LG cosθ reprezinta presiunea exercitata de lichid asupra suprafetei datorita greutatii proprii, in conditiile in care udabilitatea este neglijabila.

Se defineste coeficientul de udabilitate

(1.2.14)

 (1.2.15)

(1.216)

(1.2.17)

1.2 Interfata solid-solid

Atunci cand se realizeaza cresterea unei faze solide din faza de vapori depunind atomi -adsorbiti- pe substratul solid -adsorbant- se creaza o interfaza solid-solid. La echilibru termodinamic se cunosc trei moduri de crestere legate mai mult sau mai putin de udabilitatea adsorbitului pe substrat, udabilitate ce depinde de potentialele chimice ale speciilor si de tensiunea lor superficiala.

a)     Modelul de crestere Strat cu Strat al lui Frank Van der Merwe care corespunde unei udabilitati complete. Pentru realizarea acestui tip de crestere este necesar ca toate energiile W_n sa fie negative si W_n+1 sa fie mereu inferioara lui W_n, sau altfel spus Δμ sa fie negativ oricare ar fi numarul atomilor depusi.

b)     Modelul de crestere Stranski-Krastanov corespunde unei udabilitati mai putin bune: se depune in mod omogen 1 sau doua strate dupa care atomii depusi incep sa formeze insule. Din punct de vedere termodinamic acest model corespunde urmatoarei situatii: initial toate W_n sunt negative dar la un moment dat W_n+1 devin mai mari decit W_n (Δμ) creste; este modul de crestere al depunerilor Co/Cr (110) si Ag/Si.

c)        Modelul de crestere Volmer-Weber atomii nu se depun omogen, depunerea incepe din stadiile incipiente sub forma de insule atunci cand tensiunile superficiale ale substratului si adsorbantului sunt foarte diferit de ezemplu cand se depune ceramica pe metal sau invers

Pot exista si mecanisme de depunere departe de echilibru iar acesta este modul de crestere prin strate simultane in care fiecare strat nou incepe inainte ca cel precedent sa fie complet. Este un mod de crestere cu interfuziune intre strate, adica cu formarea aliajelor de intefata.

Fig. 2 Modele de crestere a structurii cristaline

1.3 notiuni de topografie si mecanica suprafetelor

Descoperitorul amprentelor digitale ca mijloc de identificare a fiecarui individ adica a faptului ca sunt absolut personale, Francois Alphonse Bertillon, a deschis un capitol fundamental de analiza topografica a suprafetelor.

Dezvoltarea tehnicilor de analiza a permis dezvoltarea si imbogatirea cunostintelor referitoare la suprafata si mai ales la defectele de impachetare.

Defecte de nivelare, deformare a dimensiunilor orizontale cuprinse intre 50m si 500m.

Megatextura inegalitati si degradare a invelisului cu dimensiuni orizontale cuprinse intre 50mm si 500mm;

Macrotextura inegalitati la nivelul repartitiei granulelor, dimensiuni orizontale cuprinse intre 0,5mm si 50mm;

Microtextura inegalitati la nivelul suprafetelor granulelor, dimensiuni orizontale mai mici de 1mm.

Defectele de suprafata se clasifica :

a)     Defecte de ordinul unu: sunt defecte de paralelism, de circularitate, de rectangularitate, de planeitate, sfericitate provocate de o stare proasta sau / si de o utilizare proasta a utilajelor;

b)     Defecte de ordinul doi "ondularea suprafetei"; sunt defecte generate de procedeele de prelucrare -avansul ciclic la frezare, fatetare pe piese rectificate. Apar sub forma ondulatiiloe care se situeaza intre 0,50 si 2,5 mm sunt vizibile cu ochiul liber.

c)      Defete de ordinul trei. Striatii mai mult sau mai putin periodice care corespund avansului sculei de decupare sau vibratiilor de inalta frecventa a masinii sau sculei nu sunt vizibile cu ochiul liber.

d)     Defecte de ordinul patru. Defecte de heterogenitate a materialului, de diverse accidente, apar sub forma de fante.

e)     Scazind din ce in ce mai mult scara de masura se pot defini si defecte de ordinul cinci la nivelul grauntilor metalici,

Eseu: Eterificarea monozaharidelor Eseu: COMBUSTIBILI -combustibili folositi in industria aerospatiala- referat chimie

La cristale anizotrope suprafata neteda poate fi inlocuita cu suprafata in dinti de fierastrau.

SUPRAFATA CORPURILOR LICHIDE

Energia libera de suprafata numita de regula energie de suprafata poate fi determinata prin masurarea fortei care se exercita in lungul suprafetei -presiune de suprafata.

Datele experimentale au aratat ca presiunea de suprafata a lichidelor pure are o valoare negativa, adica este o presiune atractiva o tensiune-tensiune superficiala. in consecinta lichidele se comporta ca si cum ar fi imbracate intr-o membrana elastica.

Cea mai stabila stare a unui sistem este aceea care corespunde cele mai mici valori a energiei libere. Asfet ca suprafata sa contribuie la scaderea energiei libere trebuie ca ea sa aibe aria cea mai mica. Din aceasta cauza lichidele tind sa capete forma de picaturi sferice. Orice deformare a picaturii sferice necesita un lucru mecanic deci creste energia libera a suprafetei.

Cantitatea de lucru necesara pentru cresterea suprafetei unui corp lichid cu un cm² se numeste tensiune superficiala, λ.

dW=λdA(1.2.18)

Unitati: dyne cm^-1; ergi cm^-2; adica apreciata ca forta /suprafata=tensiune sau ca energie (lucru) pe suprafata.

Moleculele de la interfata solid/lichid au un potential chimic diferit de moleculele din volum si diferit de cel al moleculelor de la interfata solid/gaz sau lichid/gaz; Cantitatea de lucru necesara pentru a mari interfata cu un cm² se numeste tensiune interfaciala. Tensiunile interfaciale mici conduc la imprastierea lichidului pe suprafata solida proces numit umectare iar tensiunile interfaciale mari conduc la formarea stropilor.

STRATURI

Definitie Prin acoperire sau STRAT, se intelege stratul de material, format natural sau sintetic sau depus artificial pe suprafata unui obiect confectionat din alt material in scopul obtinerii anumitor proprietati tehnologice sau decorative.

Substratul, sau obiectul acoperit, sau mai exact stratul sau superficial, constitue o faza a sistemului, iar acoperirea o alta faza. Intre acoperire si substrat exista o interfata sub forma unui strat cu volum dat si proprietati intermediare care asigura aderenta acoperirii la substrat. In anumite situatii acest strat poate fi identificat si poarta denumirea de strat intermediar, dar in alte situatii este dificil sa se evidentieze un strat difuzional intre substrat si acoperire.

1.     Structura acoperirii

In general acoperirile au o structura laminara, dar avand in vedere varietatea extrem de mare a acestor acoperiri atat din punct de vedere al materialelor utilizate cat si din punct de vedere al tehnologiilor, este foarte dificil sa se imagineze un model unic pentru structura lor.

Dar s-au elaborat modele particulare pentru tipurile mari de acoperiri. Un model simplificat este prezentata in figura nr. 1 a si b.

Figura nr. 1 Reprezentarea schematica a structurii unor acoperiri

Acoperirea monostrat este depusa pe un substrat pregatit corespunzator formata dintr-un singur strat de material, dar in structura se evidentiaza doua zone: zona intermediara si zona stratului propriu-zis. Monostratul poate avea insa o compozitie chimica diversa, adica poate fi monocomponent - format dintr-un singur material de exemplu nichel  sau multicomponent format dintr-un amestec de materiale, de exemplu un aliaj de nichel sau material compozit NiCSi.

Acoperirea multistrat este formata din cel putin doua materiale ce pot fi diferite sau acelasi material aplicat in straturi separate insa intre ele printr-un substrat. Utilizarea acoperirilor multistrat are ca scop principal intensificarea unei anumite proprietati a stratului. Astfel de straturi se utilizeaza pe scara larga in acoperirile anticorozive, pentru cresterea rezistentei la coroziune, de exemplu se obtin intotdeauna straturi Cu/Ni/Cr. De fapt industrial pe scara larga se utilizeaza tehnica multistraturilor mai mult decat cea a monostratului.

Se utilizeaza variante tehnologice diferite pentru obtinerea acoperirilor multistrat, astfel:

Multiacoperiri formate din doua sau mai multe straturi din materiale identice dar obtinute prin tehnologii diferite, de exemplu o acoperire de nichel formata din trei straturi obtinute in trei tipuri de electroliti: se depun 1 μm Ni depus chimic, 5μm Ni din electrolit clorura, urmati de un strat de 10μm din electrolit sulfat.

Acoperire sandwich formata din cateva straturi din materiale diferite in care cel putin unul este depus de doua ori si nu unul peste celalat.

Vopsea autostratificabile depusa sub forma unor amestecuri de lichide sau pulberi care se stratifica in timpul uscarii sau topirii intr-un substrat ce asigura aderenta la suportul de regula metalic, si stratul de suprafata cu rezistenta la atacul mediului. de regula intre straturile interne ale unei acoperiri multistrat se formeaza straturi intermediare.

2.     Clasificarea acoperirilor

Criteriile de clasificare ale acoperirilor sunt: in functie de natura materialului ce formeaza acoperirea, in functie de scopul principal pentru care se realizeaza acoperirea si in functie de tehnologia de obtinere a acoperirii.

2.1.  Clasificarea acoperirilor dupa natura materialului

2.1.1.     Acoperiri anorganice

2.1.1.1.Acoperiri metalice

Din aceasta clasa de acoperiri fac parte toate acoperirile formate din

o      metale,

o      aliaje metalice

o      sau materiale compozite cu matrice metalica,

cel mai adesea depuse pe suport metalic.

Teoretic se poate depune orice metal si material compozit, dar din punct de vedere tehnologic exista anumite dificultati care fac ca procesul de productie sa se desfasoare in conditii diferite din punct de vedere al rentabilitatii: costuri si productivitati.

Cele mai utilizare acoperiri metalice sunt :

zinc,

nichel,

crom ,

staniu,

cadmiu,

cupru,

plumb,

argint,

aur,

cobalt,

indiu,

ruteniu,

rodiu,

paladiu,

platina.

In anumite situatii se pot depune si metale refractare ca titan, zirconiu, hafniu, vanadiu, niobiu, tantal, molibden si wolfram. Dintre aliaje si acoperiri compozite cele mai utilizate industrial sunt otelurile aliate, alamele si bronzurile precum si aliaje diferitelor metale Pb-Sn-Cu, Sn-Ni, W-Co, Ni-Fe, Co-Mo, Zn-Al, Zn-Fe, Zn-Ni, Zn-Mn, Zn-Sn, Al-Si, Ni-Cr, Co-Cr, Ni-Al, Ni-B-Si, Ni-Cr-B-Si, Ni-Cr-B-Si-C, Co-Mo-Cr-Si.

2.1.1.2 Straturi nemetalice

Straturile nemetalice sunt de doua feluri: straturi de conversie si straturi ceramice;

a₁ Straturile de conversie se formeaza prin reactia suprafetei ce urmeaza sa fie protejata cu o solutie acida; deci aceste straturi nu se depun ci se formeaza prin reactia metalului de protejat de aceea se numesc de conversie.

Principalele straturi de conversie utilizate ca protectie anticoroziva in constructia de masini sunt: eloxarea, cromatarea, fosfatarea, brunarea

a₂ Straturi ceramice se depun pe suprafata corpului solid prin tehnologii variate. Constau in straturi pe baza de silicati (sticle), carburi, carbonitruri, boruri, diamant etc

2.1.2.     Acoperiri organice

Acest tip de acoperiri sunt extrem de variate si numeroase si au la baza materiale organice, de origine naturala si sintetica. Cele mai utilizate materiale de acoperire care fac parte din aceasta categorie sunt:

Vopsele sunt materiale de acoperire formate din suspensii ale unor pigmenti organici sau anorganici intr-un liant, de regula o substanta peliculogena, preparate sub forma de lichide sau pudre. Cei mai utilizati pigmenti anorganici sunt: oxidul de zinc (alb), oxidul de titan (alb), oxidul de crom (galben), miniu de plumb (rosu), grafitul (negru). Pigmentii organici sunt de origine naturala sau sintetica. In functie de natura fazei dispersante vopselele pot fi pe baza de ulei, de celuloza, emulsionabile, lacuri [], latex, silicati, ceramica, miniu de plumb (grund si inhibitor de coroziune).Adesea se gasesc sub forma lichida iar dupa uscare, iar in cazul pulberilor dupa topire, formeaza stratul de acoperire.

Lacurile sunt produse lichide sau sub forma de pulberi sub forma unor solutii coloidale sau substante filmogene obtinute din uleiuri sicative, rasini naturale sau sintetice, bitumuri sau esteri de celuloza in solventi organici. Adesea contin pigmenti, plastifianti si sicativanti. Agentii de uscare utilizati mai frecvent sunt naftenati, oleatul de mangan, cobalt sau calciu.

Dupa aplicare in strat pe suport, ca rezultat al unor transformari chimice si fizice formeaza acoperiri permanente cu o puternica aderenta la suport.

Din punct de vedere chimic se cunosc urmatoarele clase de lacuri: pe baza de ulei, pe baza de rasini, de celuloza si de bitum.

Rasinile sunt substante organice amorfe cu diferite compozitii chimice cu consistenta de la semilichid la vitros, insolubile in apa, solubile in solventi organici sau complet insolubile si care nu se topesc prin incalzire.

Rasinile se clasifica in

Rasini naturale, obtinute din plante verzi si mai rar din plante fosile;

Rasini sintetice rasini acrilice, polistirenice fenolice.

Emailuri organice sunt produse de acoperire formate din lacuri cu diferiti pigmenti cu un spectru foarte larg de utilizare. Ca si lacurile pot fi emailuri pe baza de ulei sau de celuloza.

Uleiurile sunt lichide sau solide cu puncte de topire foarte scazute care se clasifica in:

Uleiuri vegetale sunt amestecuri de esteri ai glicerinei si acizi grasi nesaturati. Cei mai conoscuti sunt uleiul de arahide, uleiul de soia, de floarea soarelui, de in rapita, masline, de nuca, de arahide mustar, cacao, .

Uleiuri minerale sunt amestecuri de hidrocarburi obtinute la distilarea fractionata a petrolului.

Uleiuri animale care sunt grasimi lichide de origine animala cu un continut ridicat de acizi grasi nesaturati.

In ingineria suprafetelor uleiurile sunt utilizate la prepararea vopselelor, lacurilor, emailurilor pe baza de ulei, ca lubrifianti sau chiar ca acoperire temporara de protectie impotriva coroziunii.

Cementuri sunt lianti obtinuti sintetic din diferite materiale.

Unsorile reprezinta un grup complex de substante naturale (vegetale animale sau minerale)- sau sintetice obtinute prin transformari chimice din cele naturale sau complet sintetice a caror proprietate de baza este cea de ungere. Unsorile contin adesea esteri ai acizilor grasi superiori sau alcooli de regula monohidroxilici, cetone, hidrocarburi.

Asfalturi sau bitumuri sunt amestecuri de substante macromoleculare cu greutate atomica mare, alifatice, naftenice sau aromatice de origine naturala sau obtinute la piroliza petrolului. Sunt de regula reziduuri, solide sau semisolide, solubile in sulfura de carbon. Din foarte variata gama de bitumuri ca straturi de acoperire se utilizeaza numai cateva fie la prepararea unor lacuri, fie la protectia anticoroziva a conductelor.

Lubrifianti este o denumire generica data tuturor materialelor grase utilizate la reducerea frecarii intre doua suprafete aflate in contact. Din punct de vedere al consistentei se disting lubrifianti solizi, semilichizi sau uleiuri lubrifiante. Lubrifiantii solizi sau semilichizi sunt de fapt obtinuti dintr-un ulei lubrifiant si un material solid dispersat sub forma de granule, fibre. Intaritorii sunt sapunuri de bariu, litiu, aluminiu, sodiu, strontiu, si calciu. Lubrifiantii protectori au si functia de protectie anticoroziva, sunt de regula materiale solide si se utilizeaza pentru protectia anticoroziva temporara, pentru o scurta perioada de timp, de exemplu in timpul transportului sau a depozitarii. Actiunea lor protectoare consta de fapt in izolarea suprafetei metalice fata de agresivitatea mediului si prin reducerea udabilitatii suprafetei.

2.2 Clasificarea dupa tehnologia de obtinere

2.2.1 straturi obtinute prin metode fizice

2.2.1.1 straturi metalice obtinute prin imersie in metal topit

2.2.1.2 straturi obtinute prin pulverizare

2.2.1.3 straturi obtinute prin difuzie

2.2.1.4 straturi obtinute prin depunere fizica in faza de vapori

2.2.2    straturi obtinute prin metode chimice

2.2.2.1 straturi obtinute prin metode chimice pe suport metalic

2.2.2.2 straturi obtinute prin metode chimice pe suport nemetalic

2.2.2.3 straturi obtinute prin depunere chimica in faza de vapori

2.2.3 straturi obtinute prin metode electrochimice

2.2.3.1 straturi metalice obtinute prin reducere catodica

2.2.3.2 straturi obtinute prin electrovopsire

Proprietatile unui strat de calitate

I.Aderenta la suport

Depinde de

a)     compatibilitatea dintre materiale ALEGEREA SISTEMULUI

compatibilitate chimica

compatibilitate structurala (de retea)

b)     tensiune superficiala interfaciala

textura suprafetei

structura suprafetei

Aderenta este un fenomen care se opune alunecarii mecanice a doua suprafete.

Adeziunii

Adeziunea,in fizica reprezinta ansamblul fenomenelor fizico chimice care se produc la interfata dintre doua materiale.

Diferitele teorii asupra adeziunii incearca sa stabileasca mecanisme de interactie specifice. Adeziunea nu trebuie confundata cu aderenta, care reprezinta forta sau energia necesara separarii a doua faze materiale reunite printr-o intefata.

Teoriile adeziunii

Adeziunea intervine in multe domenii in fiecare dind nastere unei teorii specifice, deci nu exista o teorie unica asupra adeziunii ci un ansamblu de modele comp[lementare si uneori contradictorii.

Teoria mecanica

Reprezinta cea mai veche incercare de explicare a adeziunii elaborata de Mac Bain inca din 1926, care considera ca la baza adeziunii sta ancorarea fizica, prinderea unui strat de asperitatile superficiale ale substratului, rezultind un acrosaj reciproc al celor doua faze. Aces mecanism nu poate fi aplicat decit in situatia in care intre cele doua faze materiale exista un contact intim, stratul uda bine substratul care prezinta o rugozitate importanta. Adeziunea suprafetelor lucioase se explica prin alte teorii.

Teoria electrica

A fost elaborata de Deryagin si se refera in special la suprafetele acoperite cu oxizi. La suprafata unui oxid ionic heterogenitatile chimice si defectele de suprafata induc o sarcina electrica superficiala prin incarcare electrostatica. Sistemul strat/substrat poate fi astfel asimilat cu un condensator plan ale carui armaturi sunt cele doua straturi electrice formate la intefata.

Teoria difuziei

Se aplica materialelor polimerice compatibile (adica atunci cind un monomer este solubil in alt monomer), in particular este vorba despre autoadeziune la contactul dintre doua materiale de aceeasi natura de exmplu doua tipuri de cauciuc. In acest caz adeziunea rezulta ca o consecinta a difuziei reciproce dintre moleculele sau macromoleculele celor doi prepolimeri. La interfata dintre cele doua materiale dispare interfaza, proprietatile fizico chimice variaza in mod continuu de la valori specifice unui material pina la cele caracteristice celui de al doilea.

Teoria termodinamica

Teoria termodinamica sau teoria udabilitatii atribuie adeziunea fortelor intermoleculare -legaturi de tip Van der Waals - existente la interfata. Sunt legaturi slabe si nedirijate cu un cimp de actiune de ordinul intermolecular, de aceea pentru stabilirea lor este necesar realizarea unui foarte bun contact intre faze.

Teoria straturilor cu slaba coeziune (weak boundary layers)

Bikerman a constat prezenta unor straturi cu coeziune slaba la analiza zonelor de rupere a limitelor unor ansambluri materiale. Si anume in anumite situatii fortele de coeziune sunt mai puternice decit fortele dintre straturile unei faze implicate in asamblare. In aceasta situatie ruperea va avea loc nu la imbinare ci in faza cu forte de coeziune mai slabe. Compozitia chimica aunui astfel de strat poate varia in limite largi

Teoria chimica

Se aplica in cazul realizarii unor lergaturi chimice puternice de ordinul a 1000 KJ mol^-1 de tip iono covalent intre fazele aflate in contact (propusa de Buchan si Rae). Aceste legaturi asigura ansamblului a rezistenta la rupere importanta si o durabilitate mult mai mare decit cea datorata fortelor de tip Van der Waals. Distanta de interactiune interatomica (0,15-0,24nm) impune de asemenea un contact foarte intim intre cele doua faze materiale si de asemenea proprietati de udabiulitate superioare.