沉積沾汙的滯留機理
通過各種沉積作用與固體表麵接著的塵粒,有可能受到氣流力或其他外力的影響而再度懸浮飛揚。隻有那些被固體表麵粘附,吸住的塵粒才能穩定地或者較穩定地附著於固體表麵而造成實在的沾汙。因此考慮沾汙過程時,必須考慮塵粒在固體表麵的滯留機理。
一、吸住機理
認為塵粒在纖維表麵的滯留有多種作用機製:其一,宏觀吸住:塵粒陷入纖維間或紗腺間的空隙內;其二,微觀吸住:塵粒陷人纖維表麵新生的或原有的凹窪部位。
此外還有物理上的吸著作用。當吸著作用發生時,纖維或塵土顆粒在某些沉積階段內須行變形,形成有足夠麵積的界麵。
二、範德瓦爾斯力粘附機理
都認為範德瓦爾斯力可對塵粒在纖維表麵的滯留產生重要影響,但他們並沒有具體地分析各種形式的範德瓦爾斯力的作用機製。現在我們就來討論一下這個問題。
固-固界麵上存在的液相物質,通常都可以作為粘合劑,對兩粘附體產生粘合作用。液態水分子可將塵粒中含有的粘土成分、膠體成分溶出,使之成為牢固的粘合劑,參與固麵的粘附。油聛本身就是一種粘合劑,油質汙垢成分對固體顆粒附在纖維表麵起重要作用。而且他還指出:在所有表麵汙染物中,幾乎都有油質存在。
固-固界麵上的液相粘合劑,是通過跨越兩固相界麵的相互作用而產生粘合力的。這種界麵上的相互作用既可以是分子、原子間的色散力、誘導力和取向等範德瓦爾斯力,也可以是毛細粘附力、靜電庫侖力,還可能是化學鍵合力以及機械連接作用。此外,固-固界麵的粘附功同樣可以對粘附做貢獻。由此可見,粘附過程是一個複雜的表麵化學過程和表麵物理過程。
不同性質的固體表麵、不同性質的粘合劑和不同性質塵粒,可產生不同形式的範德瓦爾斯作用力。級性分子的相互作用力為色散力;非極性分子與極性分子的作用力為色散力和誘導力;兩個極性分子的作用力為色散力、誘導力和取向力。
1.非極性分子間的作用力
根據設想,相互作用的兩個非極性分子可以看成是圍繞其平衡位置作諧振動的粒子,而分子就成為量子力學中的諧振子係統。諧振子中的電子在振動,可產生瞬時偶極矩,則諧振子之間相互誘導,並引起相鄰諧振子的電子振動,且保持一定的位相關係。這樣便可產生分子間(即諧振子之間)的相互吸引力。該吸引力被稱為色散力。
2.非極性分子與極性分子間的作用力
非極性分子與極性分子相遇,其相互作用的勢能為誘導力作用的勢能。在極性分子場的作用下,非極性分子則產生誘導偶極矩,它與此極性分子在非極性分子處產生的場強五成正比即
3.兩個極性分子間的相互作用力
當粘合劑與粘附體均為極性分子時,兩相界麵的粘合力來自範德瓦爾斯力中的色散力、誘導力和取向力。前兩種作用力我們都已討論過,現在討論一下取向力。
極性分子間的取向力可由偶極矩引起。由於組成分子的原子之電負性的差異,使得分子中的電子雲分布不對稱而使其鍵具有極性。鍵的偶極矩這一物理量,可以用來表征鍵極性的大小。
分子偶極矩值是決定分子極性或取向力大小的物理量,也是分子間作用力的一個重要參數。
三、毛細粘附
材料的表麵,通常都會吸附有一定數量的液體水分子,被吸附在固體表麵的水分子層,可在塵粒與物體表麵之間架橋,在它們兩者之間形成毛細空間,並產生毛細粘附力。
四、粘附功
固體的表麵能是指增加單位固體麵積所需的能量。當兩個相似或相容的固體表麵接觸時,由於不大,這時就比較大,所以兩個固體粘附得就比較緊密。當兩個完全不相似或不相容的固體表麵接觸時,值就較大,值就較小,因此兩固體粘附得就不牢。例如雲母在真空中解理後,再重新粘合在一起,其粘附強度幾乎與解理前一樣。
當兩個固體表麵相互接近在0.42以內時,即達到了分子間作用力的有效近程,在這種近程內,即使沒有液相粘合劑,兩者也能實現牢固的粘附。但是通常人工所獲得的最理想的表麵,仍有約2000厘米的凹凸度,所謂平麵接觸,也隻不過是凸出部分之間的局部產生接觸,所以它們之間的真實接觸麵非常小,不足以產生明顯的粘附力。計算表明,當兩個固體平麵相互靠近到時,它們之間的範德瓦爾斯引力可達到這個數值大大超過了現在最好的膠粘劑所達到的強度。但事實上它們之間的相互吸引力非常小,這是由於它們之間的相互接觸麵積還達不到總麵積的緣故。如果兩固體表麵之間存在可完全潤濕固體表麵的液相粘合物質,就可以導致固體分子間產生較大的吸引力,從而大大提髙它們之間的粘附強度。
五、粘合劑潤濕性能
塵粒和固體表麵的粘附,涉及液相粘合劑(例如含膠體成分的水溶液或油脂等)對兩固體表麵的潤濕性能。潤濕性能越好,其粘附強度也就越大,如果不能潤濕粘附體,粘合劑也就失去了它的粘合作用。有關液相物質對固體表麵的潤濕問題,我們將在第五節中討論。
六、物體表麵粗糖性對塵粒滯留的影響
物體表麵的粗糙性是與平滑性相對而言的,這與觀察物體的尺度有關。我們所討論的粗糙性,限於微米水平。粗糙的物體表麵,對塵粒那麼大小的物體來說,相當於存在著許多溝、坑、脊、峰。這些凹凸不平的部位,其力場具有不平衡性。從而形成了表麵的活化中心。這些活化中心部位的粘附力相對較大。
粗糙的物體表麵,由於微觀棱角的增多,也可以使粘附力增強。表麵粗糙度越大,其表麵積也就越大,表麵自由能也就越高。所以它的粘附力,以及對粘附力可產生影響的吸附力也就越大,塵粒在粗糖表麵上的滯留能力也就越強。沾汙的過程,就是降低固體表麵自由能的過程。
塵粒的接觸沾汙機理
塵粒的接觸沾汙與塵粒的沉積沾汙機理既有共同之處,也存在一些差別。就差別而論,接觸沾汙不存在沉積過程,因此不需要考慮沉積機理,隻討論它的滯留機理就可以了。
接觸沾汙的另一個特點是在沾汙過程中,塵粒會受到壓力、摩擦力或碰撞的衝擊力的作用,在這些力的影響下,塵粒在物體表麵的滯留能力會有所提高。這是由於外力的作用,可使彈性物體、多孔材料(如纖維製品、木材製品等)的表麵發生局部凹陷等塑性形變,從而擴大了塵粒與物體表麵的接觸表麵,使固-固界麵的形狀變得更適於塵粒的粘附。
接觸沾汙與沉積沾汙的相同之處,是它們都有共同的滯留機理。這方麵的內容在上一節中討論過,請讀者參看表麵粘附機理的有關內容。