40.Теоретические основы адгезии.

Адгезия (прилипание) – связь между приведенными в контакт разнородными поверхностями. Причина адгезии – действие межмолекулярных сил или сил химического взаимодействия. Адгезия обусловливает склеивание твердых тел – субстратов – с помощью клеящего вещества – адгезива, а также связь защитного лакокрасочного покрытия с основой. На межфазной поверхности жидкости и твердого тела адгезия может достичь предельно высокого значения вследствие полного контакта между поверхностями. Высокая адгезия может быть достигнута и в случае двух твердых тел, если их контактирующие поверхности находятся в пластическом или высокоэластическом состоянии и прижаты друг к другу с достаточной силой.

С точки зрения термодинамики причина адгезии – уменьшение свободной энергии на единице поверхности адгезионного шва в изотермическом обратимом процессе. Работа обратимого адгезионного отрыва определяется из уравнения:

, (1)

где и - поверхностное натяжение на границе фаз 1 и 2 с окружающей средой (воздухом), а - поверхностное натяжение на границе фаз 1 и 2, между которыми имеет место адгезия.

Уравнение (1) пригодно для двух несмешивающихся жидкостей. Адгезия жидкости к поверхности твердого тела из-за невозможности определения твердого тела рассчитывается только косвенно:

, (2)

где и - измеряемые величины поверхностного натяжения жидкости и равновесного краевого угла смачивания, образуемого жидкостью с поверхностью твердого тела.

В случае полного смачивания, когда уравнением (2) пользоваться нельзя.

Адгезию измеряют следующими способами:

1. Одновременным отрывом одной части адгезионного соединения от другой по всей площади контакта;

2. Постепенным расслаиванием адгезионного соединения.

При первом способе разрушающая нагрузка может быть приложена в направлении, перпендикулярном плоскости контакта поверхностей (испытание на отрыв) или параллельном ей (испытание на сдвиг). Отношение силы, преодолеваемой при одновременном отрыве по всей площади контакта к площади, называется адгезионным давлением, давлением прилипания или прочностью адгезионной связи ( ),

Отношение сил, преодолеваемых при постепенном расслаивании образца, к его ширине, называется сопротивлением отслаиванию (расслаиванию) ( ,).

Часто адгезия характеризуется работой, которая затрачивается на отделение адгезива от субстрата ( ,).

Адгезию определяют на обычных динамометрах или на специальных адгезиометрах.

Существует несколько теорий адгезии: механическая, молекулярная, электрическая, диффузионная, химического взаимодействия.

Механическая: Адгезия осуществляется в результате затекания клея в поры и трещины субстрата и последующего отверждения клея, образующего как бы “заклепки”, связывающие адгезив и субстрат. Применима для тканей, пронизанных системой сквозных пор. Не объясняет склеивания гладких поверхностей без пор и трещин.

Молекулярная: Адгезия обусловлена действием ван-дер-ваальсовых сил (дисперсионных, индукционных, ион-дипольных, водородных связей). Правило Дебройна: прочные соединения образуются между адгезивом и субстратом, близкими по полярности.

Адгезию можно разделить на две стадии: 1) миграция больших молекул из раствора или расплава адгезива к поверхности субстрата в результате броуновского движения, при этом полярные группы или группы, способные образовывать водородную связь приближаются к соответствующим группам субстрата; 2) установление адсорбционного равновесия. При расстоянии между молекулами адгезива и субстрата меньше нм ( ) начинают действовать ван-дер-ваальсовы силы.

Электрическая: Основывается на явлении контактной электризации, происходящей при тесном соприкосновении двух диэлектриков или металла и диэлектрика. Система адгезив-субстрат отождествляется с конденсатором, а двойной электрический слой, возникающий при контакте двух разнородных поверхностей с обкладками конденсатора. При отслаивании адгезива от субстрата или, что то же, раздвижении обкладок конденсатора, возникает разность электрических потенциалов, которая повышается с увеличением зазора между раздвигаемыми поверхностями до определенного предела, когда наступает разряд. Работу адгезии приравнивают к энергии конденсатора:

,

где - поверхностная плотность электрических зарядов;

- разрядный промежуток (толщина зазора);

- абсолютная диэлектрическая проницаемость среды.

Диффузионная: Адгезия обусловлена межмолекулярными силами. Диффузия цепных молекул или их сегментов обеспечивает взаимопроникновение макромолекул, что способствует увеличению молекулярного контакта. Адгезия полимеров рассматривается как объемное явление. Взаиморастворимость полимеров, определяемая в основном соотношением их полярностей, очень важна для адгезии. Однако заметная адгезия может наблюдаться и между несовместимыми, разными по полярности полимерами в результате локальной диффузии или локального растворения.

Химического взаимодействия: Химические связи могут возникать между молекулами почти всех полимеров, содержащими активные функциональные группы, между такими молекулами и поверхностями металла, стекла и др., в особенности, если последние покрыты окисной пленкой или слоем продуктов эрозии. В молекулах каучуков имеются двойные связи, обусловливающие в определенных условиях их химическую активность.

Рассмотренные теории, основанные на преобладающей роли какого-нибудь одного определенного процесса или явления при образовании адгезионной связи, приложимы к различным случаям адгезии или даже к различным сторонам этого явления. Единой теории адгезии нет и, вероятно, быть не может. В различных случаях адгезия обусловливается разными механизмами, зависящими как от природы субстрата и адгезива, так и от условий образования адгезионной связи; многие случаи адгезии могут быть объяснены действием двух или нескольких факторов.