Сорбційні процеси

Виготовлення трибовузлів, зберігання і їх експлуатація здійснюються в середовищах, які містить масло, мастила, воду і повітря, кожне з яких зокрема є неоднорідними системами. Повітря крім суміші газових молекул містить дим і тумани. Ці домішки газу з розмірами частинок менше 1 мкм називаються аерозолями. В результаті взаємного тертя ці частинки часто несуть на собі позитивні і негативні заряди.

Рідини, що містять в собі у зваженому стані тверді частинки, називаються суспензіями, а ті, що містять незмішувані з основою мілкі капельки іншої рідини – емульсіями. Разом ці рідини отримали назву гідрозолі.

Крім того, в рідинах і газах можуть знаходитися і молекули поверхнево-активних речовин (ПАР). До них відносяться, наприклад, органічні речовини, які містять полярні групи ОН, СООН і NН₂, які добре розчиняються у воді, і неполярні групи - складаються з вуглеводневих ланцюгів типу СН₂ - які не змочуються водою. Прикладом рідини, що містить гідрозолі і ПАР, є сучасні мастильні матеріали.

Характерною особливістю ПАР (рисунок 2.10) є те, що центри ваги позитивного і негативного зарядів не співпадають навіть в ізольованому стані. Такі молекули називаються полярними і при адсорбції вони завжди орієнтуються перпендикулярно до поверхні твердого тіла, утворюючи, так званий, молекулярний ворс Ленгмюра, який розділює пару контактуючих поверхонь і суттєво знижує тертя.

Рисунок 2.10 - Молекула ПАР

В загальному випадку процес поглинання інородних атомів і молекул рідкими і твердими речовинами називається сорбцією.

Вона включає в себе процес адсорбції – випадок, коли процес відбувається на границі розділу фаз (наприклад, тверде тіло – газ, тверде тіло – рідина, рідина – газ). Речовина, на поверхні якої відбувається адсорбція, називається адсорбентом, а речовина, що поглинається з прилягаючого об’єму – адсорбатом.

Молекули адсорбенту, наближаючись з об’єму газу або розчину до поверхні розділу фаз, попадають під дію сили притягання з сторони цієї поверхні. При дотику з нею притягання молекул, що зближуються, зрівноважується силами відштовхування, що виникають між молекулами і частинками. Таким чином поверхня адсорбенту поступово покривається адсорбційним шаром молекул адсорбенту. Пропорційно заповненню молекулами адсорбату поверхні адсорбенту і зменшенню її вільної поверхневої енергії виділяється теплота адсорції. Вона залежить від природи і будови молекул адсорбата і їх орієнтації коло поверхні, а також від природи і структури самої поверхні.

Процес, зворотний адсорбції, отримав назву десорбції. І для його проведення потрібно підведення ззовні енергії пропорційно теплоті адсорбції.

Розрізняють два види адсорбції: фізичну – зворотну, обумовлену дією відносно слабих Ван-дер-вальсових сил і хемосорбцію – незворотну і обумовлену дією достатньо великих по своєму значенню хімічних зв’язків (валентних сил). Теплота фізичної адсорбції – 4…24 кДж/моль для простих молекул і 40…80 кДж/моль для великих молекул. При хемосорбції вона складає 40…400 кДж/моль.

Адсорбційні процеси на поверхні розділу відбуваються з дуже великою швидкістю (долі секунди і тільки в пористих тілах триває ~ 1 хв). хемосорбція визначається як швидкістю протікання хімічної реакції, так і дифузією речовини через окислений шар, тому швидкість процесу хемосорбції коливається в дуже широких межах.

Процеси адсорбції суттєво змінюють властивості і поведінку матеріалів.

Наприклад, молекули ПАР, що знаходяться в об’ємі рідини (рисунок 2.11) активно висаджуються на поверхню посудини, в якій знаходиться рідина, а також на поверхні гідрозолей і частинок зносу. При цьому вони створюють на цих поверхнях електричні поля одного знаку. А це означає, що частинки, електричні поля яких взаємодіяли з стінками посудини і завдяки цьому до них притягувалися, після появи на їх поверхні молекул ПАР почали відштовхуватися одне від одного. На цьому принципі базується ефект миючої дії молекул ПАР, а також ефект стабілізації гідрозолей, за рахунок виникнення сил, які перешкоджають їх злипанню (коагуляції) і випаданню в осад (седиментації).

Рисунок. 2.11 - Схема зміни властивостей поверхонь рідини і гідрозолей (миючий ефект) за рахунок введення молекул ПАР: а - до введення ПАР; б - після введення ПАР

ПАР адсорбовані на поверхні твердого тіла здатні суттєво міняти характер змочування рідиною (рисунок 2.12), гідрофілюючи чи гідрофобіюючи її. Для досягнення бажаного ефекту необхідно ретельно підібрати ПАР з врахуванням властивостей твердого тіла і рідини. Використовуючи різні ПАР можна направлено керувати капілярними ефектами в мастильних системах, фільтрацією речовин і т. д.

Рисунок. 2.12 - Зміна характеру змочування поверхні твердого тіла в залежності від вибраної ПАР: а - вихідна поверхня; б - гідрофобна поверхня; г - гідрофільна поверхня; J3<J1<J2

Оскільки система прагне скоротити запас поверхневої енергії, то тіло намагається зменшити площу поверхні. Крапля рідини приймає сферичну форму, оскільки сфера має найменше відношення площі поверхні до об’єму. Тому поверхня знаходиться в розтягнутому стані, і якщо з неї виділити елемент, то дія частини, що залишилася, на елемент можна замінити рівнорозподіленними по контурі силами натягу.

Мірою надлишкової поверхневої енергії є коефіцієнт поверхневого натягу s, рівний надлишковій енергії віднесеній до одиниці площі поверхні або силі натягу, що діє на одиницю довжини контуру елемента поверхні. На рисунку 2.13. показані сили натягу на границі поділу фаз: s₁₂ - тверде тіло - рідина; s₂₃ - рідина - газ; s₁₃- тверде тіло-газ. Оскільки система знаходиться в рівновазі, сума сил дорівнює нулю, а cos q = (s₁₂ - s₁₃) / s₂₃. За рахунок сил натягу, рідина в капілярах утворить меніски (рисунок 2.14), під якими виникає тиск, що направлений до центру кривизни і розраховується по формулі Лапласа:

. (2.7)

Під дією цього тиску спостерігається капілярний ефект, що полягає в підйомі або опусканні рівня рідини в капілярі на висоту

, (2.8)

де r - щільність рідини;

g - прискорення вільного падіння.

Рисунок 2.13 - Сили натягу

Рисунок 2.14 - Капілярний ефект

Капілярний ефект має велике значення для пористих тел. Він використовується для подачі масел в зону тертя в підшипниках із пористими втулками.