Роль молекулярных сил в граничном трении. На свободной поверхности чистого твердого тела действуют молекулярные силы притяжения. Внутри тела такие силы уравновешиваются, а на поверхности остаются неуравновешенными и могут образовывать прочные связи с активными молекулами, если последние приблизятся на достаточное расстояние. Радиус действия этих сил порядка долей нанометра. Свободные силы, действующие на поверхности, могут быть почти полностью нейтрализованы одним слоем нанесенных на нее активных молекул.

Это иллюстрируется следующим опытом. Предметное стекло микроскопа промывают чистящим средством и, когда оно высохнет, обливают слабым раствором пальмитиновой кислоты в чистом бензоле, а затем тщательно протирают тампонами из чистой тонкой (папиросной) бумаги. Если после такой обработки стекло окунуть в чистую воду и вынуть, оно останется совершенно сухим. Это свидетельствует о том, что водоотталкивающий слой молекул пальмитиновой кислоты образует прочное поверхностное соединение и не удаляется простым стиранием. При стирании удаляется вся нанесенная пальмитиновая кислота, кроме мономолекулярного слоя, поскольку поверхностные молекулярные силы резко ослабевают за пределами толщины первого, адсорбированного слоя. Этот прочный слой можно удалить сильным окислительным агентом, химически разрушающим молекулы пальмитиновой кислоты, или абразивом, удаляющим их механически.

Пальмитиновая кислота, химическая формула которой имеет вид COOH–(CH₂)₁₄–CH₃, относится к классу органических соединений, молекулы которых обнаруживают высокую полярную активность с одного конца. Метильная группа CH₃ на одном конце длинной цепной молекулы пальмитиновой кислоты неактивна, так как ее валентности заполнены. На другом же конце молекулы расположена очень активная карбоксильная группа COOH. Такая молекула связывается с поверхностью своим полярным концом (рис. 2). Электронограммы показывают, что связанный слой состоит из плотно «упакованных» молекул, образующих как бы ковер, толщина которого равна длине одной молекулы. При этом молекулы ориентированы относительно поверхности под углом около 90° к ней.

(6.58 Кб)

Поведение хорошо очищенного минерального масла медицинского качества удивительно контрастирует с поведением такого соединения, как пальмитиновая кислота. Углеводородные медицинские масла полностью насыщены, т.е. их молекулы не имеют незаполненных валентных связей и, следовательно, неактивны. Пленка медицинского масла, нанесенная на предметное стекло в опыте типа описанного выше, легко удаляется простым стиранием, оставляя поверхность, легко смачиваемую водой. Очевидно, что силы связи в этом случае очень слабы, и пленка медицинского масла, по толщине соответствующая граничному трению, не может служить защитой от изнашивания поверхности.

Ранее способность смазочного материала уменьшать трение объясняли его «маслянистостью». Считалось, что маслянистость – это особое свойство масла, не связанное с его вязкостью. Теперь известно, что маслянистость есть результат взаимодействия молекулярных сил, существующих на свободной поверхности, с молекулярными силами, действующими на полярных концах ненасыщенных молекул в контактном слое смазки. Интересно, что половины процента активных молекул в смазочном материале достаточно, чтобы заметно уменьшить трение. Это объясняется тем, что такие молекулы селективно адсорбируются на контактной поверхности.

назад   дальше