Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теоретические основы адгезии полимеров. Учебное пособие
.pdf
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Казанский национальный исследовательский
технологический университет
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
АДГЕЗИИ ПОЛИМЕРОВ
Учебное пособие
Казань
Издательство КНИТУ
2022
УДК 678.5.002.6(075)
ББК 35.71я7
Т33
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Т33
Теоретические основы адгезии полимеров : учебное пособие /
сост.: В. И. Бутовецкая, И. А. Старостина, А. С. Зиганшина [и др.];
Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань :
Изд-во КНИТУ, 2022. – 108 с.
ISBN 978-5-7882-3269-0
ISBN 978-5-7882-3269-0
©
Бутовецкая В. И., Старостина И. А.,
Зиганшина А. С., Янова О. Ю.,
Стоянов О. В., составление, 2022
©
Казанский национальный исследовательский
технологический университет, 2022
УДК 678.5.002.6(075)
ББК 35.71я7
Казанского национального исследовательского технологического университета
Рецензенты:
д-р техн. наук, проф. Л. А. Абдрахманова
д-р техн. наук, проф. Э. Р. Галимов
Содержит сведения по теоретическим основам адгезии полимеров.
Предназначено для бакалавров направления подготовки 18.03.01
«Химическая технология».
Подготовлено на кафедре технологии пластических масс.
2
С О Д Е Р Ж А Н И Е
ВВЕДЕНИЕ ....................................................................................................... 5
1. ВИДЫ И ПРИРОДА АДГЕЗИИ................................ ................................ .. 6
1.1. Основные адгезионные понятия ......................................................... 6
1.2. Межмолекулярные взаимодействия ................................................. 11
2. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ ТРАКТОВКА АДГЕЗИИ ........................... 19
2.1. Понятие о поверхностном натяжении и смачивании ...................... 21
2.2. Поверхностное натяжение адгезивов ............................................... 27
2.3. Поверхностная энергия полимерных субстратов ............................ 27
3. АДСОРБЦИЯ ПОЛИМЕРОВ НА ТВЕРДОЙ ПОВЕРХНОСТИ ........... 28
4. ТЕОРИИ АДГЕЗИОННОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ .............................. 32
4.1. Адсорбционно-молекулярная теория ............................................... 32
4.2. Механическая теория ......................................................................... 38
4.3. Диффузионная теория ........................................................................ 39
4.4. Электрическая теория ........................................................................ 44
4.5. Химическая теория адгезии ............................................................... 48
4.6. Релаксационная теория адгезии ........................................................ 49
4.7. Теория слабых граничных слоев ....................................................... 50
4.8. Теоретические аспекты кислотно-основного подхода .................... 50
5. ФОРМИРОВАНИЕ АДГЕЗИОННОГО КОНТАКТА ............................. 55
5.1. Структура поверхности субстратов .................................................. 56
5.2. Формирование контакта «субстрат – жидкий адгезив» ................. 61
5.3. Формирование контакта «субстрат – вязкий адгезив» ................... 62
6. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА АДГЕЗИЮ ................................ ............. 64
6.1. Влияние длительности контакта адгезива и субстрата ................... 64
6.2. Влияние давления ............................................................................... 65
6.3. Влияние температуры склеивания, или термической обработки
клеевого шва .............................................................................................. 66
6.4. Влияние содержания растворителя в адгезиве ................................ 68
6.5. Влияние толщины слоя адгезива ....................................................... 69
6.6. Влияние рельефа поверхности субстрата ......................................... 70
6.7. Влияние химической обработки поверхности субстрата ................ 71
6.8. Влияние внутренних напряжений на адгезионную прочность ...... 72
6.9. Пути снижения внутренних напряжений ......................................... 75
6.10. Методы измерения внутренних напряжений ................................. 76
3
7. АДГЕЗИЯ К СУБСТРАТАМ НЕОРГАНИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ .......... 79
7.1. Адгезия к металлам ............................................................................ 80
7.2. Адгезия к стеклу ................................................................................. 84
7.3. Адгезия полимеров к субстратам органической природы .............. 86
7.4. Адгезия к каучукам и резине ............................................................. 88
7.5. Адгезия к древесине и бумаге ........................................................... 90
7.6. Адгезия к коже .................................................................................... 93
8. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ АДГЕЗИИ ........................................................ 95
8.1. Методы нормального отрыва ............................................................ 96
8.2. Методы неравномерного отрыва ....................................................... 98
8.3. Метод отслаивания ........................................................................... 100
8.4. Методы сдвига .................................................................................. 100
8.5. Метод многократного изгиба .......................................................... 102
8.6. Неразрушающие методы испытаний .............................................. 102
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ............................................................................................ 104
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА ......................................................... 107
4
В В Е Д Е Н И Е
Адгезия и адгезионное взаимодействие – это чрезвычайно
многообразные и многофакторные явления, присутствующие
в окружающей нас действительности постоянно и ежечасно.
Не случайно такой обширной и многоплановой является научная
литература, посвященная вопросам усиления адгезионного взаимодействия.
Основной же теоретической проблемой на сегодня является
отсутствие единого научного подхода, который позволил бы получать соединения желаемой прочности во всем их многообразии.
На практике же вопросы управления адгезионной способностью
рассматриваются чаще всего путем оптимизации рецептурнотехнологических факторов.
В то же время достижение высоких прочностных свойств
полимерных материалов в контакте со стеклопластиками, металлами, синтетическими неорганическими и полимерными материалами остается важнейшей задачей при конструировании адгезионных
соединений. Тем не менее, несмотря на стремительно развивающееся в настоящее время научное направление, связанное с адгезией
полимеров, современного и обстоятельного учебника, который
описывал бы все теоретические аспекты данного явления, до сих
пор не существует. В свете этих требований автором было подготовлено данное пособие, которое ставило своей главной задачей
систематизацию основных положений адгезии (и адгезии полимеров в частности).
Авторы надеются, что предлагаемое пособие окажется по-
лезным не только студентам при освоении и изучении ими соответствующего курса, но сможет заинтересовать также и специалистов
по конструированию, изготовлению и эксплуатации адгезионных
соединений.
5
1 . В И Д Ы И П Р И Р О Д А А Д Г Е З И И
1 . 1 . О с н о в н ы е а д г е з и о н н ы е п о н я т и я
Есть явления, которые кажутся обыденными и давно известными, а между тем они самым непосредственным образом
определяют прогресс в различных областях жизни и деятельности
человека. К их числу относится и адгезия. Этот термин ввели
в 1924 г. в научный оборот Г. Бехольд и Д. фон Нейман для обозначения специфического молекулярного сцепления в дополнение
к господствовавшим тогда представлениям о механическом характере природы склеивания. В настоящее время этот термин широко
употребляется в научной литературе. В переводе с английского
и немецкого он означает «прилипание, слипание, сцепление или
притяжение».
Говорить об адгезии просто и сложно. Просто – поскольку
адгезия распространена повсюду, а сложность – в ее многогранности, фундаментальности основополагающих представлений и ее
связи с многочисленными сопутствующими процессами. С адгезией сталкиваются все и в ходе самых разнообразных процессов: при
склеивании материалов, изготовлении слоистых пластиков, многослойных материалов и резинотканевых изделий; при использовании лакокрасочных покрытий, различных неорганических вяжущих веществ в строительстве, производстве армоцемента, железобетона, бетона и прочих наполненных дисперсных систем; при соединении металлов между собой и с другими материалами с помощью припоев, при сварке металлов и нанесении электролитических
покрытий. Трудно назвать сферу человеческой деятельности, в которой не приходилось бы сталкиваться с адгезией, начиная от изготовления обуви или создания картин до производства космических
аппаратов или возведения электростанций. Наиболее правильно
рассматривать адгезию как некоторое явление, приводящее к определенному конечному результату.
Явление адгезии относится к числу поверхностных явлений, т. е. таких, которые возникают на границе раздела соприкасающихся фаз. Фазой называют однородную часть системы, облада-
6
7
ющую составом, физическими и химическими свойствами и отделенную от других частей системы поверхностью раздела.
Образование адгезионного соединения начинается с приведения в контакт двух фаз, одна из которых выполняет роль основания (в технической литературе его часто называют субстратом).
Другую контактирующую фазу называют адгезивом. При этом
происходит смачивание субстрата адгезивом, что приводит к установлению молекулярного контакта между соприкасающимися поверхностями и в конечном итоге к образованию соединения, обладающего в зависимости от характера и интенсивности межфазного
взаимодействия той или иной прочностью. Отличительной особенностью адгезионного взаимодействия является возникновение взаимодействия между молекулами, входящими в поверхностные слои
конденсированных фаз. Таким образом, адгезия – это поверхностное явление, приводящее к образованию новой системы – адгезионного соединения с комплексом собственных характеристик,
определяемых свойствами адгезива и субстрата и наличием границы раздела между ними.
Адгезия как явление взаимодействия конденсированных фаз
имеет особое значение для получения гетерофазных систем.
Наибольший интерес в данном плане представляют композиционные
материалы. Выбор компонентов, составляющих такие системы, обусловлен не только их собственными характеристиками, но и уровнем
адгезионного взаимодействия, что способствует разработке и применению композиционных материалов. Все это, в свою очередь, тесно
связано с уровнем развития представлений об адгезии.
В настоящее время адгезию изучают главным образом на
полимерных объектах и стеклопластиках, но не менее интересны
и композиты на основе металлов и синтетических неорганических
материалов. Закономерности адгезии проявляются и в процессах
склеивания и нанесения защитных покрытий. По сути, современные представления об адгезии базируются почти исключительно на
исследовании клеевых соединений и лакокрасочных покрытий.
Учет адгезии необходим и при изучении трения твердых тел, в том
числе полимеров. Только на основе изучения адгезионных явлений
возможно выявление механизмов полирования и износа металлов.
Огромна роль адгезии в различных технологических процессах соединения материалов при сварке, пайке и т. д.
Важную роль играет адгезия в большом числе производственных процессов в порошковой металлургии, флотации, поли-
8
графии, при тампонаже и противоэрозионной защите грунтов, производстве картонов, смазке металлов и т. п. Но многие представления об адгезии остаются до сих пор дискуссионными, в отдельных
случаях некоторые авторы приходят к противоречивым выводам
даже по принципиальным вопросам. Поэтому большое значение
приобретает анализ природы адгезии с единых позиций, абстрагированный от свойств конкретных взаимодействующих объектов.
Таким образом, адгезия – это поверхностное явление, заключающееся в возникновении физического или химического взаимодействия между конденсированными фазами при их молекулярном контакте, и приводящее к образованию новой гетерогенной
системы.
Адгезия представляет собой такое состояние двух разнородных тел, при котором они удерживаются вместе в тесном контакте таким образом, что механическая сила или работа могут быть
переданы через границу раздела. Данное определение расширяет
толкование термина до нового семантического значения – состояния двух разнородных тел, особенность которого – в наличии межфазного контакта между этими разнородными телами.
Адгезия возникает при контакте твердых тел с жидкостью
и, наоборот, – при контакте жидкости с твердыми телами. Когда
одним из контактирующих тел является твердая поверхность (субстрат), в качестве адгезива могут выступать жидкость, твердые
пленки или частицы. В связи с этим различают адгезию жидкости,
пленок и частиц.
Три вида адгезии (жидкости, пленки и частицы) имеют много
общего. Во всех случаях это – связь между различными телами на
границе раздела фаз, для нарушения которой необходимо внешнее
усилие. Несмотря на общность, каждый вид адгезии имеет свои особенности, которые можно рассмотреть на примерах рис. 1.1–1.3.
На рис. 1.1 представлены различные варианты адгезии жидкости. Во время дождя можно наблюдать капли воды на стекле.
Кроме того, жидкость может находиться на твердой поверхности
в виде пленок или соприкасаться со стенками сосуда, в который
она помещена. Типографские краски, применяемые для книг, газет,
журналов и др. печатных изданий, должны обладать хорошей адгезией к печатной форме, а при контакте формы с бумагой – переноситься на бумагу и закрепляться на ней. Адгезия типографских
красок – это еще один из вариантов адгезии жидкости. Отличительной особенностью всех вариантов адгезии жидкости является
9
связь между двумя разнородными телами, имеющими различное
агрегатное состояние – жидкое и твердое. Связь эта осуществляется по определенной площади, или, как говорят, по площади контакта двух тел. Размеры и формы этой площади определяются конфигурацией твердого тела и могут быть различными. Величина
площади контакта капли (рис. 1.1а) может быть соизмерима с поверхностью капли.
а б в
Рис. 1.1. Адгезия жидкости: а – в виде капли; б – в виде пленки;
в – при нахождении в емкости
При адгезии пленок реализуется связь между двумя твердыми поверхностями (рис. 1.2), одна из которых выполняет роль
субстрата, другая – адгезива. Связь между адгезивом и субстратом,
как и в случае адгезии жидкости, осуществляется по определенной
площади контакта. Размеры этой площади определяются размерами субстрата. Поэтому адгезия пленок так же, как и адгезия жидкости, характеризуется значительной площадью контакта.
Рис. 1.2. Адгезия пленок: 1 – основа (субстрат);
2 – пленка (адгезив)
В случае адгезии частиц (рис. 1.3) связь осуществляется
между двумя твердыми поверхностями. В отличие от адгезии пленок и жидкости контакт частиц осуществляется не по всей поверхности твердого тела. Площадь контакта незначительна – она со-
10
ставляет лишь часть площади поперечного сечения прилипших частиц. Когда частиц сравнительно немного, то имеет место адгезия
отдельных частиц. На рис 3 прилипшие частицы не соприкасаются
между собой – в этом отличительная особенность данного случая
адгезии.
Рис. 1.3. Адгезия частиц: а – отдельных частиц; б – монослоя;
в – полислоя частиц
Когда частиц много, и они соприкасаются между собой, то
образуется либо монослой, либо полислой прилипших частиц
(рис.1.3б, в). Полислой прилипших частиц состоит по крайней мере
из двух монослоев. Распространенным примером адгезии частиц
является адгезия частиц мела к школьной доске, в результате чего
на доске образуются буквы, цифры и т. д. Несмотря на различные
варианты адгезии частиц, характерные особенности этого вида адгезии заключаются во взаимодействии частиц с поверхностью
и в ограниченной площади контакта отдельных частиц.
Характеристики различных видов адгезии приведены
в табл. 1.1.
Таблица 1.1
Характеристики различных видов адгезии
Адгезия
Контактирующие
поверхности
Площадь
контакта
Следствия
адгезии
Жидко-
сти
«Твердое тело –
жидкость»
Значительная
Формирование капель
или тонкого слоя жидко-
сти
Пленок
«Твердое тело –
твердое тело»
Значительная
Экранировка поверхностей
прилипшей пленкой
Частиц
«Твердое тело –
твердое тело»
Ограниченная
Преимущественное
удержание мелких частиц
Анализируя сведения, которые приведены в таблице, подчеркнем особенности и общность различных видов адгезии.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]