Адгезия в зависимости от основания. Адгезия – важное свойство твердых и жидких тел в промышленных отраслях. Об измерении адгезионной способности материалов

Почему краска, наносимая на окрашиваемую поверхность по истечению некоторого времени прочно удерживается на ней? Почему штукатурное покрытие при застывании схватывается с основой? Почему в принципе возможно бетонирование? Ответ на эти вопросы один: всё дело в адгезии - явлении прилипания двух поверхностей, соединённых друг с другом.

Что же такое адгезия

Адгезия определяет возможность склеивания твердых тел с помощью клеящего состава, а также прочность связи декоративного или защитного покрытия с основой. Причиной появления адгезионной связи является влияние молекулярных сил (физическая адгезия ) либо сил химического взаимодействия (химическая адгезия ).

Интенсивность адгезии определяется давлением отрыва, которое следует приложить к покрытию (штукатурке, краске, герметику и т.д.), чтобы оторвать/отделить его от основы.

Таким образом, данный показатель принято измерять в единицах удельного усилия - мегапаскалях (МПа). Например, значение усилия отрыва (или прилипания, что одно и то же) в 1 МПа означает, что для отделения покрытия, имеющего площадь 1 мм 2 , следует приложить усилие в 1 Н (напомним, что 1 кг = 9,8 Н). Адгезионные показатели покрытий являются их основной характеристикой, которая обеспечивает необходимую прочность, надёжность, а также определяет трудоёмкость работы с ними.

Что влияет на адгезионную способность веществ, применяемых в строительстве

В процессе схватывания рабочей смеси в ней происходят различные процессы, которые обуславливают определённые изменения её свойств. В частности, при усадке растворной смеси возможно сокращение поверхности контакта с появлением растягивающих напряжений , которые приведут к образованию усадочных трещин . Как результат - ослабляется сцепление поверхностей. Например, сцепление старой бетонной поверхности с новым бетоном не превышает 0,9…1,0 МПа, в то время, как сцепление сухих строительных смесей (в состав которых входят компоненты, инициирущие процессы химической адгезии) с новым бетоном достигает 2 МПа и более.

Как улучшить адгезию

Обычно реализуют комплекс мер, обеспечивающих улучшение сцепляемости: проводят механическую (шлифование), физико-химическую (шпаклевание, грунтовка) и химическую (эластификация) обработку поверхности основы. Особенно эффективны указанные процессы в ремонтно-строительных работах, когда контактирующие поверхности разнородны не только по своему химсоставу, но и по условиям их образования.

Важно! Свежий щелочной цементный раствор всегда плохо сцепляется с поверхностью старого бетона, поэтому при работах со старым бетоном обязательно следует использовать многослойные адгезионные составы

Как измерить адгезионную способность материалов

ГОСТ 31356-2007 регламентирует определяющие показатели прочности сцепления сухих строительных смесей с основанием. О последовательности проведения тестовых испытаний материалов на их сцепляемость. Технология проведения подобных испытаний позволяет определить прочность сцепления таких покрытий, как керамическая плитка, различные защитные покрытия, штукатурка и т.д. с основанием.

Для контроля качества выполненных работ удобно использовать адгезиметр системы ОНИКС-АП NEW. Диапазон измерения усилий схватывания с применением данного прибора составляет 0…10 кН. При испытании измеряется усилие, которое необходимо для отделения или отрыва покрытия от поверхности основы в направлении, перпендикулярном плоскости покрытия. Удобство применения адгезиметра заключается в том, что с его помощью возможен оперативный контроль качества отделочных и штукатурных работ. Прибор компактен и удобен в обслуживании (см. рис. 1.2,3).

Рис.1. Определение усилия схватывания керамической плитки с помощью адгезиометра (шаг 1)

Материал из Википедии - свободной энциклопедии

Наиболее известные адгезионные эффекты - капиллярность , смачиваемость /несмачиваемость, поверхностное натяжение , мениск жидкости в узком капилляре, трение покоя двух абсолютно гладких поверхностей. Критерием адгезии в некоторых случаях может быть время отрыва слоя материала определенного размера от другого материала в ламинарном потоке жидкости.

Адгезия имеет место в процессах склеивания, пайки, сварки, нанесения покрытий. Адгезия матрицы и наполнителя композитов (композиционных материалов) является также одним из важнейших факторов, влияющих на их прочность.

Теории адгезии

Адгезия представляет собой крайне сложное явление, с чем связано существование множества теорий, трактующих это явление с различных позиций. В настоящее время известны следующие теории адгезии:

• Адсорбционная теория , согласно которой явление осуществляется в результате адсорбции адгезива на порах и трещинах поверхности субстрата.
• Механическая теория рассматривает адгезию как результат проявления сил межмолекулярного взаимодействия между контактирующими молекулами адгезива и субстрата.
• Электрическая теория отождествляет систему "адгезив – субстрат" с конденсатором, а двойной электрический слой , возникающий при контакте двух разнородных поверхностей, - с обкладкой конденсатора.
• Электронная теория рассматривает адгезию как результат молекулярного взаимодействия поверхностей, различных по своей природе.
• Диффузионная теория сводит явление к взаимной или односторонней диффузии молекул адгезива и субстрата.
• Химическая теория объясняет адгезию не физическим, а химическим взаимодействием.

Физическое описание

Адгезия представляет собой обратимую термодинамическую работу сил, направленных на разделение приведённых в контакт две разнородные (гетерогенные) фазы. Описывается уравнением Дюпре :

$\{Wa\; =\; \backslash sigma\_\{13\}\; +\; \backslash sigma\_\{23\}\; -\; \backslash sigma\_\{12\}\}$

$\{Wa\; =\; -\backslash Delta\; G^o\}$

Отрицательное значение ΔG° указывает на снижение работы адгезии в результате образования межфазного натяжения.

Изменения энергии Гиббса системы в процессе адгезии:

$\{\backslash Delta\; G^o\_1\; =\; \backslash sigma\_\{13\}\; +\; \backslash sigma\_\{23\}\}$

$\{\backslash Delta\; G^o\_2\; =\; \backslash sigma\_\{12\}\}$

$\{\backslash Delta\; G^o\; =\; \backslash Delta\; G^o\_2\; -\; \backslash Delta\; G^o\_1\}$

$\{\backslash sigma\_\{12\}\; -\; \backslash sigma\_\{13\}\; -\; \backslash sigma\_\{23\}\; =\; \backslash Delta\; G^o\}$.

Адгезия неразрывно связана со многими поверхностными явлениями , такими как смачивание . Если адгезия обусловливает связь между твёрдым телом и контактирующей с ним жидкостью, то смачивание является результатом подобной связи. Уравнение Дюпре-Юнга показывает отношение между адгезией и смачиванием:

$\{Wa\; =\; \backslash sigma\_\{12\}(1\; +\; cos\backslash theta)\}$

где σ 12 - поверхностное натяжение на границе раздела двух фаз (жидкость-газ), cosθ - краевой угол смачивания, Wa - обратимая работа адгезии.

Напишите отзыв о статье "Адгезия"

Литература

• Дерягин Б. В. , Кротова Н. А., Смилга В. П. Адгезия твердых тел. - М .: Наука, 1973.
• Фрейдин А. С. Свойства и расчет адгезионных соединений. - М .: Химия, 1990.
• Берлин А. А., Басин В. Е. Основы адгезии полимеров. - М .: Химия, 1974.
• Тризно М. С., Москалев Е. В. Клеи и склеивание. - Л.: Химия, 1980.

Примечания

Ссылки

• Адгезия - статья из Большой советской энциклопедии .

См. также

Отрывок, характеризующий Адгезия

– Да, да, да, – радостно говорила Наташа.
Наташа рассказала ему свой роман с князем Андреем, его приезд в Отрадное и показала его последнее письмо.
– Что ж ты рад? – спрашивала Наташа. – Я так теперь спокойна, счастлива.
– Очень рад, – отвечал Николай. – Он отличный человек. Что ж ты очень влюблена?
– Как тебе сказать, – отвечала Наташа, – я была влюблена в Бориса, в учителя, в Денисова, но это совсем не то. Мне покойно, твердо. Я знаю, что лучше его не бывает людей, и мне так спокойно, хорошо теперь. Совсем не так, как прежде…
Николай выразил Наташе свое неудовольствие о том, что свадьба была отложена на год; но Наташа с ожесточением напустилась на брата, доказывая ему, что это не могло быть иначе, что дурно бы было вступить в семью против воли отца, что она сама этого хотела.
– Ты совсем, совсем не понимаешь, – говорила она. Николай замолчал и согласился с нею.
Брат часто удивлялся глядя на нее. Совсем не было похоже, чтобы она была влюбленная невеста в разлуке с своим женихом. Она была ровна, спокойна, весела совершенно по прежнему. Николая это удивляло и даже заставляло недоверчиво смотреть на сватовство Болконского. Он не верил в то, что ее судьба уже решена, тем более, что он не видал с нею князя Андрея. Ему всё казалось, что что нибудь не то, в этом предполагаемом браке.
«Зачем отсрочка? Зачем не обручились?» думал он. Разговорившись раз с матерью о сестре, он, к удивлению своему и отчасти к удовольствию, нашел, что мать точно так же в глубине души иногда недоверчиво смотрела на этот брак.
– Вот пишет, – говорила она, показывая сыну письмо князя Андрея с тем затаенным чувством недоброжелательства, которое всегда есть у матери против будущего супружеского счастия дочери, – пишет, что не приедет раньше декабря. Какое же это дело может задержать его? Верно болезнь! Здоровье слабое очень. Ты не говори Наташе. Ты не смотри, что она весела: это уж последнее девичье время доживает, а я знаю, что с ней делается всякий раз, как письма его получаем. А впрочем Бог даст, всё и хорошо будет, – заключала она всякий раз: – он отличный человек.

Первое время своего приезда Николай был серьезен и даже скучен. Его мучила предстоящая необходимость вмешаться в эти глупые дела хозяйства, для которых мать вызвала его. Чтобы скорее свалить с плеч эту обузу, на третий день своего приезда он сердито, не отвечая на вопрос, куда он идет, пошел с нахмуренными бровями во флигель к Митеньке и потребовал у него счеты всего. Что такое были эти счеты всего, Николай знал еще менее, чем пришедший в страх и недоумение Митенька. Разговор и учет Митеньки продолжался недолго. Староста, выборный и земский, дожидавшиеся в передней флигеля, со страхом и удовольствием слышали сначала, как загудел и затрещал как будто всё возвышавшийся голос молодого графа, слышали ругательные и страшные слова, сыпавшиеся одно за другим.
– Разбойник! Неблагодарная тварь!… изрублю собаку… не с папенькой… обворовал… – и т. д.
Потом эти люди с неменьшим удовольствием и страхом видели, как молодой граф, весь красный, с налитой кровью в глазах, за шиворот вытащил Митеньку, ногой и коленкой с большой ловкостью в удобное время между своих слов толкнул его под зад и закричал: «Вон! чтобы духу твоего, мерзавец, здесь не было!»
Митенька стремглав слетел с шести ступеней и убежал в клумбу. (Клумба эта была известная местность спасения преступников в Отрадном. Сам Митенька, приезжая пьяный из города, прятался в эту клумбу, и многие жители Отрадного, прятавшиеся от Митеньки, знали спасительную силу этой клумбы.)
Жена Митеньки и свояченицы с испуганными лицами высунулись в сени из дверей комнаты, где кипел чистый самовар и возвышалась приказчицкая высокая постель под стеганным одеялом, сшитым из коротких кусочков.
Молодой граф, задыхаясь, не обращая на них внимания, решительными шагами прошел мимо них и пошел в дом.
Графиня узнавшая тотчас через девушек о том, что произошло во флигеле, с одной стороны успокоилась в том отношении, что теперь состояние их должно поправиться, с другой стороны она беспокоилась о том, как перенесет это ее сын. Она подходила несколько раз на цыпочках к его двери, слушая, как он курил трубку за трубкой.
На другой день старый граф отозвал в сторону сына и с робкой улыбкой сказал ему:
– А знаешь ли, ты, моя душа, напрасно погорячился! Мне Митенька рассказал все.
«Я знал, подумал Николай, что никогда ничего не пойму здесь, в этом дурацком мире».
– Ты рассердился, что он не вписал эти 700 рублей. Ведь они у него написаны транспортом, а другую страницу ты не посмотрел.
– Папенька, он мерзавец и вор, я знаю. И что сделал, то сделал. А ежели вы не хотите, я ничего не буду говорить ему.
– Нет, моя душа (граф был смущен тоже. Он чувствовал, что он был дурным распорядителем имения своей жены и виноват был перед своими детьми но не знал, как поправить это) – Нет, я прошу тебя заняться делами, я стар, я…
– Нет, папенька, вы простите меня, ежели я сделал вам неприятное; я меньше вашего умею.
«Чорт с ними, с этими мужиками и деньгами, и транспортами по странице, думал он. Еще от угла на шесть кушей я понимал когда то, но по странице транспорт – ничего не понимаю», сказал он сам себе и с тех пор более не вступался в дела. Только однажды графиня позвала к себе сына, сообщила ему о том, что у нее есть вексель Анны Михайловны на две тысячи и спросила у Николая, как он думает поступить с ним.
– А вот как, – отвечал Николай. – Вы мне сказали, что это от меня зависит; я не люблю Анну Михайловну и не люблю Бориса, но они были дружны с нами и бедны. Так вот как! – и он разорвал вексель, и этим поступком слезами радости заставил рыдать старую графиню. После этого молодой Ростов, уже не вступаясь более ни в какие дела, с страстным увлечением занялся еще новыми для него делами псовой охоты, которая в больших размерах была заведена у старого графа.

Уже были зазимки, утренние морозы заковывали смоченную осенними дождями землю, уже зелень уклочилась и ярко зелено отделялась от полос буреющего, выбитого скотом, озимого и светло желтого ярового жнивья с красными полосами гречихи. Вершины и леса, в конце августа еще бывшие зелеными островами между черными полями озимей и жнивами, стали золотистыми и ярко красными островами посреди ярко зеленых озимей. Русак уже до половины затерся (перелинял), лисьи выводки начинали разбредаться, и молодые волки были больше собаки. Было лучшее охотничье время. Собаки горячего, молодого охотника Ростова уже не только вошли в охотничье тело, но и подбились так, что в общем совете охотников решено было три дня дать отдохнуть собакам и 16 сентября итти в отъезд, начиная с дубравы, где был нетронутый волчий выводок.

Адгезия - это связь между приведенными в контакт разнородными поверхностями. Причины возникновения адгезионной связи - действие межмолекулярных сил или сил химического взаимодействия. Адгезия обусловливает склеивание твердых тел - субстратов - с помощью клеющего вещества - адгезива , а также связь защитного или декоративного лакокрасочного покрытия с основой. Адгезия играет также важную роль в процессе сухого трения. В случае одинаковой природы соприкасающихся поверхностей следует говорить об ауто гезии (автогезии), которая лежит в основе многих процессов переработки полимерных материалов. При длительном соприкосновении одинаковых поверхностей и установлении в зоне контакта структуры, характерной для любой точки в объеме тела, прочность аутогезионного соединения приближается к когезионной прочности материала (см. когезия ).

На межфазной поверхности двух жидкостей или жидкости и твердого тела адгезия может достигать предельно высокого значения, так как контакт между поверхностями в этом случае полный. Адгезия двух твердых тел из-за неровностей поверхностей и соприкосновения лишь в отдельных точках, как правило, мала. Однако высокая адгезия может быть достигнута и в этом случае, если поверхностные слои контактирующих тел находятся в пластическом или высокоэластичном состоянии и прижаты друг к другу с достаточной силой.

Адгезия жидкости к жидкости или жидкости к твердому телу

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

W a = σ 1 + σ 2 – σ 12

где σ 1 и σ 2 – поверхностное натяжение на границе фаз соответственно 1 и 2 с окружающей средой (воздухом), а σ 12 - поверхностное натяжение на границе фаз 1 и 2 , между которыми имеет место адгезия.

Значение адгезии двух несмешивающихся жидкостей можно найти из уравнения, указанного выше, по легко определяемым значениям σ 1 , σ 2 и σ 12 . Наоборот, адгезия жидкости к поверхности твердого тела , вследствие невозможности непосредственного определения σ 1 твердого тела, может быть рассчитана только косвенным путем по формуле:

W a = σ 2 (1 + cos ϴ)

где σ 2 и ϴ - измеряемые величины соответственно поверхностного натяжения жидкости и равновесного краевого угла смачивания, образуемого жидкостью с поверхностью твердого тела. Из-за гистерезиса смачивания, не позволяющего точно определить краевой угол, по этому уравнению обычно получают только весьма приближенные значения. Кроме того, этим уравнением нельзя пользоваться в случае полного смачивания, когда cos ϴ = 1 .

Оба уравнения, приложимые в случае, когда хотя бы одна фаза жидкая, совершенно неприменимы для оценки прочности адгезионной связи между двумя твердыми телами, так как в последнем случае разрушение адгезионного соединения сопровождается различного рода необратимыми явлениями, обусловленными различными причинами: неупругими деформациями адгезива и субстрата , образованием в зоне адгезионного шва двойного электрического слоя, разрывом макромолекул, «вытаскиванием» продиффундировавших концов макромолекул одного полимера из слоя другого и др.

Адгезия полимеров друг к другу и к неполимерным субстратам

Почти все применяемые в практике адгезивы представляют собою полимерные системы или образуют в результате химических превращений, происходящих после нанесения адгезива на склеиваемые поверхности. К неполимерным адгезивам можно отнести только неорганические вещества типа цементов и припоев.

Методы определения адгезии и аутогезии:

1. Метод одновременного отрыва одной части адгезионного соединения от другой по всей площади контакта;
2. Метод постепенного расслаивания 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 (н/м 2 , дин/см 2 , кгс/см 2). Метод отрыва дает наиболее прямую и точную характеристику прочности адгезионного соединения, однако применение его связано с некоторыми экспериментальными затруднениями, в частности с необходимостью строго центрированного приложения нагрузки к испытуемому образцу и обеспечения равномерного распределения напряжений по адгезионному шву.

Отношение сил, преодолеваемых при постепенном расслаивании образца, к ширине образца называется сопротивлением отслаиванию или сопротивлением расслаиванию (н/м, дин/см, гс/см); часто адгезию, определяемую при расслаивании, характеризуют работой, которую необходимо затратить на отделение адгезива от субстрата (дж/м 2 , эрг/см 2) (1 дж/м 2 = 1 н/м, 1 эрг/см 2 = 1 дин/см).

Определение адгезии расслаиванием более целесообразно в случае измерения прочности связи между тонкой гибкой пленкой и твердым субстратом, когда в условиях эксплуатации отслаивание пленки идет, как правило, от краев путем медленного углубления трещины. При адгезии двух жестких твердых тел более показателен метод отрыва, т. к. в этом случае при приложении достаточной силы может произойти практически одновременный отрыв по всей площади контакта.

Адгезиометр

Адгезию и аутогезию при испытании на отрыв, сдвиг и расслаивание можно определять на обычных динамометрах или на специальных . Для обеспечения полноты контакта адгезива и субстрата адгезив применяют в виде расплава, раствора в летучем растворителе или , который при образовании адгезионного соединения полимеризуется. Однако при отверждении, высыхании и полимеризации адгезив, как правило, претерпевает усадку, в результате чего на межфазной поверхности возникают тангенциальные напряжения, ослабляющие адгезионное соединение.

Напряжения эти могут быть в значительной мере устранены:

• введением в клей наполнителей, пластификаторов,
• в некоторых случаях термообработкой адгезионного соединения.

На определяемую при испытании прочность адгезионной связи существенным образом могут влиять:

• размеры и конструкция испытуемого образца (в результате действия т. н. краевого эффекта ),
• толщина слоя адгезива,
• предыстория адгезионного соединения
• и другие факторы.

О значениях прочности адгезии или аутогезии , можно говорить, конечно, лишь в случае, когда разрушение происходит по межфазной границе (адгезия) или в плоскости первоначального контакта (аутогезия). При разрушении образца по адгезиву получаемые значения характеризуют когезионную прочность полимера . Некоторые ученые считают, однако, что возможно только когезионное разрушение адгезионного соединения. Наблюдающийся адгезионный характер разрушения, по их мнению, лишь кажущийся, поскольку визуальное наблюдение или даже наблюдение с помощью оптического микроскопа не позволяет обнаружить на поверхности субстрата остающийся тончайший слой адгезива. Однако в последнее время и теоретически и экспериментально было показа но, что разрушение адгезионного соединения может носить самый разнообразный характер - адгезионный, когезионный, смешанный и микромозаичный.

О способах определения прочности адгезионной связи см. испытания лакокрасочных материалов и по крытий .

Теории адгезии

Механическая адгезия

Согласно этой концепции, адгезия осуществляется в результате затекания клея в поры и трещины поверхности субстрата и последующего отверждения клея ; если поры имеют неправильную форму и особенно если они расширяются от поверхности в глубь субстрата, образуются как бы «заклепки» , связывающие адгезив и субстрат. Естественно, что адгезив должен быть достаточно твердым, чтобы «заклепки» не выскальзывали из пор и щелей, в которые он затекает. Механическая адгезия возможна также в случае субстрата, пронизанного системой сквозных пор. Такое строение характерно, например, для тканей. Наконец, третий случай механической адгезии сводится к тому, что ворсинки, находящиеся на поверхности ткани, после нанесения и отверждения клея оказываются прочно внедренными в адгезив.

Несмотря на то что механическая адгезия в некоторых случаях безусловно играет существенную роль, только ею, по мнению большинства исследователей, нельзя объяснить все случаи склеивания, т. к. хорошо склеиваться могут и совершенно гладкие поверхности, не имеющие пор и трещин.

Молекулярная теория адгезии

Дебройном , адгезия обусловлена действием ван-дер-ваальсовых сил (дисперсионных сил, сил взаимодействия между постоянными или между постоянным и наведенным диполями), взаимодействием - диполь или образованием . Свою теорию адгезии Дебройн обосновал следующими фактами:

1. Один и тот же адгезив может склеивать различные материалы;
2. Химическое взаимодействие между адгезивом и субстратом вследствие их обычно инертной природы мало вероятно.

Дебройну принадлежит известное правило: прочные соединения образуются между адгезивом и субстратом, близкими по полярности. В приложении к полимерам молекулярная (или адсорбционная) теория получила развитие в работах Мак-Ларена . Адгезию полимеров по Мак-Ларену, 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 группа субстрата;
2. установление адсорбционного равновесия.

При расстоянии между молекулами адгезива и субстрата меньше 0,5 нм начинают действовать ван-дер-ваальсовы силы.

Согласно Мак-Ларену, в аморфном состоянии полимеры обладают большей адгезией, чем в кристаллическом. Чтобы активные участки молекулы адгезива продолжали контактировать с активными местами субстрата при высыхании клеящего раствора, что всегда сопровождается усадкой, адгезив должен иметь достаточно низкую . С другой стороны, он должен проявлять определенную стойкость при растяжении или сдвиге . Поэтому вязкость адгезива не должна быть слишком малой, а степень его полимеризации должна лежать в пределах 50-300 . При меньших степенях полимеризации адгезия невелика вследствие скольжения цепей, а при больших - адгезив слишком твердый и жесткий и адсорбция его молекул субстратом затруднена. Адгезив должен обладать также определенными диэлектрическими свойствами (полярностью), отвечающими таким же свойствам субстрата. Лучшей мерой полярности Мак-Ларен считает величину μ 2 /ε , где μ - дипольный момент молекулы вещества, а ε - диэлектрическая проницаемость.

Таким образом, по Мак-Ларену, адгезия - чисто поверхностный процесс, обусловленный адсорбцией определенных участков молекул адгезива поверхностью субстрата. Правильность своих представлений Мак-Ларен доказывает влиянием на адгезию ряда факторов (темпепатуры, полярности, природы, размера и формы молекул адгезива и др.). Мак-Ларен вывел зависимости, количественно описывающие адгезию. Так, для полимеров, содержащих карбоксильные группы , установлено, что прочность адгезионной связи (А ) зависит от концентрации этих групп:

A = k [ COOH] n

где [СООН] - концентрация карбоксильных групп в полимере; k и n - константы.

Долгое время оставалось неясным, могут ли межмолекулярные силы обеспечить наблюдаемую на опыте адгезию.

• Во-первых, было показано, что при отслаивании полимерного адгезива от поверхности субстрата затрачивается работа на несколько порядков выше той, которая требуется для преодоления сил межмолекулярного взаимодействия.
• Во-вторых, рядом исследователей была обнаружена зависимость работы адгезии от скорости отслаивания полимерного адгезива, в то время как в случае правильности адсорбционной теории эта работа, казалось бы, не должна зависеть от скорости раздвижения поверхностей, находящихся в контакте.

Однако проведенные в последнее время теоретические расчеты показали, что межмолекулярные силы могут обеспечить наблюдаемую на опыте прочность адгезионного взаимодействия даже в случае неполярных адгезива и субстрата. Несоответствие работы, расходуемой на отслаивание, работе, затрачиваемой против действия адгезионных сил , объясняется тем, что первая включает также работу деформации элементов адгезионного соединения. Наконец, зависимость работы адгезии от скорости расслаивания может быть удовлетворительно истолкована, если на этот случай распространить представления, объясняющие зависимость когезионной прочности материала от скорости деформации влиянием тепловых флуктуации на распад связей и релаксационными явлениями.

Электрическая теория адгезии

Авторами этой теории являются Дерягин и Кротова . Позднее аналогичные взгляды развивали Скиннер с сотрудниками (США). Свою теорию Дерягин и Кротова основывают на явлениях контактной электризации, происходящей при тесном соприкосновении двух диэлектриков или металла и диэлектрика. Основные положения этой теории заключаются в том, что 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 в этом случае можно приравнять к энергии конденсатора и определить по уравению (в системе СГС):

W a = 2πσ 2 h /ε a

где σ - поверхностная плотность электрических зарядов; h - разрядный промежуток (толщина зазора между обкладками); ε a - абсолютная диэлектрическая проницаемость среды.

При медленном раздвижении заряды успевают в значительной мере стечь с обкладок конденсатора. Вследствие этого нейтрализация первоначальных зарядов успевает закончиться при малом разведении поверхностей и на разрушение адгезионного соединения затрачивается небольшая работа. При быстром раздвижении обкладок конденсатора заряды не успевают стечь и их высокая начальная плотность сохраняется вплоть до наступления газового разряда. Это обусловливает большие значения работы адгезии, поскольку действие сил притяжения разноименных электрических зарядов преодолевается на сравнительно больших расстояниях. Различным характером удаления заряда с образующихся при расслаивании поверхностей адгезив-воздух и субстрат-воздух авторы электрической теории и объясняют характерную зависимость работы адгезии от скорости расслаивания.

На возможность электрических явлений при расслаивании адгезионных соединений указывает ряд фактов:

1. электризация образовавшихся поверхностей;
2. появление в некоторых случаях расслаивания лавинного электрического разряда, сопровождающегося свечением и треском;
3. изменение работы адгезии при замене среды, в которой производится расслаивание;
4. уменьшение работы расслаивания при повышении давления окружающего газа и при его ионизации, что способствует удалению заряда с поверхности.

Наиболее прямым подтверждением явилось открытие явления электронной эмиссии, наблюдавшейся при отрыве пленок полимера от различных поверхностей. Значения работы адгезии, рассчитанные на основании измерения скорости эмитируемых электронов, удовлетворительно совпадали с экспериментальными результатами. Следует, однако, заметить, что электрические явления при разрушении адгезионных соединений проявляются лишь при совершенно сухих образцах и при больших скоростях расслаивания (не менее десятков см/сек).

Электрическая теория адгезии не может быть применена к ряду случаев адгезии полимеров друг к другу.

1. Она не может удовлетворительно объяснить образование адгезионной связи между полимерами, близкими по своей природе. Действительно, двойной электрический слой может возникать только на границе контакта двух различных полимеров. Следовательно, прочность адгезионного соединения должна падать по мере сближения природы полимеров, приведенных в контакт. На самом деле этого не наблюдается.
2. Неполярные полимеры, если исходить только из представлений электрической теории, не могут давать прочную связь, т. к. они не способны быть донорами и, следовательно, не могут образовывать двойной электрический слой. Между тем практические результаты опровергают эти рассуждения.
3. Наполнение каучука сажей, способствуя высокой электрической проводимости саженаполненных смесей, должно было бы делать невозможной адгезию между ними. Однако адгезия этих смесей не только друг к другу, но и к металлам достаточно высока.
4. Присутствие небольшого количества серы, вводимой для вулканизации в каучуки, не должно изменять адгезии, так как влияние такой прибавки на контактный потенциал незначительно. В действительности же после вулканизации способность к адгезии исчезает .

Диффузионная теория адгезии

Согласно этой теории, предложенной Воюцким для объяснения адгезии полимеров друг к другу, адгезия, как и аутогезия, обусловливается межмолекулярными силами, а диффузия цепных молекул или их сегментов обеспечивает максимально возможное для каждой системы взаимопроникновение макромолекул, что способствует увеличению молекулярного контакта. Отличительной чертой этой теории, особенно пригодной в случае адгезии полимера к полимеру, является то, что она исходит из основных особенностей макромолекул - цепного строения и гибкости . Следует заметить, что способностью к диффузии, как правило, обладают только молекулы адгезива. Однако если адгезив наносят в виде раствора, а полимерный субстрат способен набухать или растворяться в этом растворе, может происходить и заметная диффузия молекул субстрата в адгезив. Оба эти процесса приводят к исчезновению границы между фазами и к образованию спайки, представляющей постепенный переход от одного полимера к другому. Таким образом, адгезия полимеров рассматривается как объемное явление .

Совершенно очевидно также, что диффузия одного полимера в другой представляет собой явление растворения.

Взаиморастворимость полимеров , которая в основном определяется соотношением их полярностей, очень важна для адгезии, что вполне согласуется с известным правилом Дебройна. Однако заметная адгезия может наблюдаться и между несовместимыми, сильно различающимися по полярности полимерами, в результате т. н. локальной диффузии, или локального растворения.

Локальное растворение неполярного полимера в полярном можно объяснить неоднородностью микроструктуры полярного полимера, возникающей в результате того, что полимер, состоящий из цепей с полярными и неполярными участками достаточной протяженности, всегда претерпевает микрорасслаивание, подобное происходящему в смесях сильно различающихся по полярности полимеров. Такое локальное растворение вероятно в случае, когда диффундируют углеводородные цепи, т. к. в полярных полимерах объем неполярных участков обычно больше объема полярных групп. Этим и объясняется то, что неполярные эластомеры обычно проявляют заметную адгезию к полярным высокомолекулярным субстратам, в то время как полярные эластомеры к неполярным субстратам почти не прилипают. В случае неполярных полимеров локальная диффузия может обусловливаться наличием в одном или обоих полимерах надмолекулярных структур, исключающих диффузию в определенных участках межфазной поверхности. Значение рассмотренного процесса локального растворения, или локальной диффузии, для адгезии тем более вероятно, что, по расчетам, достаточно проникновения в субстрат молекул адгезива всего на несколько десятых нм (несколько Å ), чтобы адгезионная прочность возросла во много раз. В последнее время Догадкиным и Кулезневым развивается концепция, согласно которой на межфазной поверхности контакта двух мало- или почти полностью несовместимых полимеров может про исходить диффузия концевых сегментов их молекул (сегментальная диффузия) . Обоснованием этой точки зрения является то, что совместимость полимеров увеличивается с уменьшением их молярной массы. Кроме того, образование прочного адгезионного соединения может определяться не только взаимопереплетением молекулярных цепей в зоне контакта из-за объемной диффузии, но и диффузией молекул одного полимера по поверхности другого. Даже тогда, когда адгезия обусловливается чисто адсорбционными взаимодействиями, адгезионная прочность практически никогда не достигает своего предельного значения, поскольку активные группы молекул адгезива никогда не укладываются точно на активные места субстрата. Однако можно предположить, что с увеличением времени или с повышением температуры контакта укладка молекул будет становиться более совершенной в результате поверхностной диффузии отдельных сегментов макромолекул. Вследствие этого прочность адгезионного соединения будет возрастать. Согласно диффузионной теории прочность адгезионного соединения обусловлена обычными молекулярными силами, которые действуют между взаимопереплетенными макромолекулами.

Иногда адгезия полимеров невозможно объяснить с точки зрения их взаимодиффузии и приходится прибегать к помощи адсорбционных или электрических представлений. Это относится, например, к адгезии совершенно несовместимых полимеров или к адгезии эластомера к полимерному субстрату, представляющему собой сшитый полимер с весьма густой пространственной сеткой. Однако в этих случаях адгезия обычно невелика. Так как диффузионная теория предусматривает возникновение прочного переходного слоя между полимерами, образующими адгезионный шов, она легко объясняет несоответствие работы расслаивания работе, требующейся для преодоления сил, действующих между адгезивом и субстратом. Кроме того, диффузионная теория позволяет объяснить зависимость работы адгезии от скорости расслаивания исходя из тех же положений, на которых основано объяснение изменения прочности образца полимера при изменении скорости его растяжения.

Помимо общих соображений, указывающих на правильность диффузионной теории адгезии, имеются экспериментальные данные, говорящие в ее пользу. К ним относятся:

1. положительное влияние на адгезию и аутогезию полимеров увеличения длительности и температуры контакта адгезива и субстрата;
2. возрастание адгезии с уменьшением , полярности и полимеров;
3. резкое увеличение адгезии при уменьшении содержания в молекуле адгезива коротких боковых ответвлений и др.

Влияние факторов, обусловливающих повышение адгезии или аутогезии полимеров, полностью коррелирует с их влиянием на диффузионную способность макромолекул.

Результаты количественной проверки диффузионной теории адгезии полимеров путем сопоставления экспериментально найденных и теоретически рассчитанных зависимостей работы расслаивания аутогезионного соединения от времени контакта и мол. массы полимеров оказались в хорошем согласии с представлением о диффузионном механизме образования аутогезионной связи. Диффузия макромолекул при контакте двух полимеров была доказана также экспериментально прямыми методами, в частности с помощью электронной микроскопии. Наблюдение за границей контакта между двумя совместимыми полимерами, находящимися в вязкотекучем или высокоэластичном состоянии, показало, что она размывается во времени, и тем в большей степени, чем выше температуpa. Значения скорости диффузии полимеров, рассчитанные по ширине размытой зоны, оказались достаточно высокими и позволяющими объяснить образование адгезионной связи между полимерами.

Все приведенное выше относится к простейшему случаю, когда наличие в полимере надмолекулярных структур практически не проявляется в рассматриваемых процессах и свойствах. В случае полимеров, на поведение которых существование надмолекулярных структур оказывает большое влияние, диффузия может осложняться рядом специфических явлений, например, частичным или полным диффузионным переходом молекул из надмолекулярного образования, расположенного в одном слое, в надмолекулярное образование в другом слое.

Адгезия, обусловленная химическим взаимодействием

Во многих случаях адгезия может быть объяснена не физическим, а химическим взаимодействием между полимерами. При этом точной границ между адгезией, обусловленной физическими силами, и адгезией, являющейся результатом химического взаимодействия, установить нельзя. Есть основание полагать, что 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 оксидной пленкой или слоем продуктов эрозии. Надо также учитывать, что 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 или разрушении адгезионной связи, приложимы к различным случаям адгезии или даже к различным сторонам этого явления. Так, молекулярная теория адгезии рассматривает лишь конечный результат образования адгезионной связи и природу сил, действующих между адгезивом и субстратом. Диффузионная теория , наоборот, объясняет лишь кинетику образования адгезионного соединения и справедлива только для адгезии более или менее взаиморастваримых полимеров. В электрической теории главное внимание уделяется рассмотрению процессов разрушения адгезионных соединений. Таким образом, единой теории, объясняющей явления адгезии , нет и, вероятно, не может быть. 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.

Существует множество различных способов взаимодействия между физическими телами. Одним из них является адгезия поверхности. Давайте рассмотрим, что это за явление и какие оно имеет свойства.

Что такое адгезия

Определение термина становится более понятным, если выяснить, как образовалось данное слово. С латыни adhaesio переводится, как "притяжение, сцепление, прилипание". Таким образом, адгезия - это не что иное, как связь конденсированных разнородных тел, которая возникает при их контакте. Когда соприкасаются однородные поверхности, возникает частный случай данного взаимодействия. Он именуется аутогезия. В обоих случаях можно провести четкую линию раздела фаз между данными объектами. В противоположность им выделяют когезию, при которой происходит сцепление молекул внутри самого вещества. Чтобы было понятней, рассмотрим пример из жизни. Возьмем и обычную воду. Затем нанесем их на разные части одной и той же стеклянной поверхности. В нашем примере вода представляет собой вещество, которому присуща плохая адгезия. Это несложно проверить, перевернув стекло вверх ногами. Когезия же характеризует прочность вещества. Если склеить два кусочка стекла клеем, то соединение будет достаточно надежным, но если соединить их пластилином, то последний порвется посередине. Из чего можно сделать вывод, что его когезии для прочной связи будет недостаточно. Можно сказать, что обе эти силы дополняют друг друга.

Виды адгезии и факторы, влияющие на ее силу

В зависимости от того, какие тела между собой взаимодействуют, проявляются те или иные особенности прилипания. Наибольшее значение представляет собой адгезия, возникающая при взаимодействии с твердой поверхностью. Это свойство имеет практическую ценность при изготовлении всевозможных клеев. Кроме того, выделяют еще адгезию твердых тел и жидкости. Можно выделить несколько ключевых факторов, которые напрямую определяют силу, с которой будет проявляться адгезия. Это площадь контакта, природа контактирующих тел и свойства их поверхностей. Кроме того, если хотя бы один из пары объектов несет на себе то при взаимодействии появится донорно-акцепторная связь, которая усилит силу сцепления. Немалую роль играет капиллярная конденсация паров воды на поверхностях. Благодаря этому явлению между субстратом и адгезивом могут возникать химические реакции, что также увеличивает силу связи. А если твердое тело окунуть в жидкость, то можно заметить следствие, которое также вызывает адгезия, - это смачивание. Данное явление часто используется при окраске, склеивании, пайке, смазке, обогащении горных пород и т.д. Для устранения адгезии применяют смазку, которая препятствует непосредственному контакту поверхностей, а для ее усиления, наоборот, производят активацию поверхности посредством механической или химической очистки, воздействием электромагнитного излучения или добавления различных функциональных примесей.

Количественно степень такого взаимодействия определяется усилием, которое нужно приложить для того, чтобы разделить контактирующие поверхности. А для того чтобы измерить силу адгезии, используются специальные приборы, которые называют адгезиометрами. Сама же совокупность методов ее определения носит название адгезиометрии.

При таком процессе адгезии осуществляется притяжение разных видов веществ на молекулярном уровне. Ей могут быть подвержены и твердые тела и жидкие.

Определение адгезии

Слово адгезия в переводе с латинского обозначает сцепление. Это процесс, при котором на два вещества притягиваются друг к другу. Их молекулы сцепляются между собой. В результате для того чтобы разъединить два вещества необходимо произвести внешнее воздействие.

Данное является представляет собой поверхностный процесс, который является типичным почти для всех систем дисперсного типа. Данное явление возможно между таким, комбинациями веществ:

• жидкость +жидкость,
• твердое тело+твердое тело,
• жидкое тело + твердое тело.

Все материалы, которые начинают взаимодействовать друг с другом при адгезии, называются субстратами. Вещества, которые обеспечивают субстратам плотное сцепление получили название адгезивов. В большинстве своем все субстраты представлены твердыми материалами, которые могут быть металлами, полимерными материалами, пластмассой, керамическим материалом. Адгезивы представлены преимущественно жидкими веществами. Хорошим примером адгезива является такая жидкость, как клей.

Данный процесс может быть результатом:

• механического воздействия на материалы для сцепления. В этом случае для того, чтобы вещества скрепились необходимо добавление определенных дополнительных веществ и использование механических методов сцепления.
• появления взаимосвязи между молекулами веществ.
• Образования двойного электрического слоя. Такое явление происходит, когда электрический заряд переносится с одного вещества на другое.

В настоящее время не редко встречаются случаи, когда процесс адгезии между веществами появляется в результате влияния смешанных факторов.

Прочность адгезии

Прочность адгезии представляет собой показатель того, как плотно сцепляются между собой те или иные вещества. На сегодняшний день прочность адгезионного взаимодействия двух веществ можно определить, используя три группы специально-выработанных методов:

1. Методы отрыва. Они подразделяются еще на множество способов определения адгезионной прочности. Для определении степени сцепления двух материалов необходимо постараться, используя внешнюю силу разорвать связь между вещества. В зависимости от скрепленных материалов здесь можно применять метод одновременного отрыва, или метод последовательного отрыва.
2. Метод фактической адгезии без вмешательства в конструкцию, созданную путем сцепления двух материалов.

При использовании разных методов могут получиться различные показатели, которые зависят во многом от толщины двух материалов. Берется во внимание скорость отслаивания и угол, под которым необходимо осуществлять разъединение.

В современном мире встречаются различные виды адгезии материалов. Сегодня адгезия полимеров является не редким явлением. При смешивании разных веществ очень важно, чтобы их активные центры взаимодействовали друг с другом. На границе взаимодействия двух веществ образуются электрически заряженные частицы, которые обеспечивают прочное соединение материалов.

Адгезия клея представляет собой процесс притяжения двух веществ путем механического взаимодействия из вне. Клей применяется для склеивания двух материалов в целях создания одного предмета. Прочность скрепления материалов зависит от того, какой прочностью обладает клей при соприкосновении с отдельными видами материалов. Для склеивания материалов, которые плохо взаимодействуют друг с другом, необходимо усилить действие клея. Для этого можно просто использовать специальный активатор. Благодаря нему образуется прочная адгезия.

Очень часто в современном мире приходится иметь дело со скреплением таких материалов, как бетон и металлы. Адгезия бетона к металлу является достаточно не прочной. Чаще в строительстве применяются специальные смеси, которые обеспечивают надежное скрепление данных материалов. Также не редко применяется строительная пена, которая заставляет металлы и бетон образовывать устойчивую систему.

Метод адгезии

Методы определения адгезии представляют собой способы, при помощи которых устанавливается то, как различные материалы могут взаимодействовать между собой в пределах определенной специфики. Разные строительные объекты и бытовые приспособления созданы из материалов, которые скреплены между собой. Для того чтобы они функционировали в нормальном режиме и не нанесли вреда необходимо тщательно контролировать уровень адгезии между веществами.

Измерение адгезии осуществляется при помощи специализированных приборов, которые позволяют на производственном этапе определить, как прочно изделия прикрепляются друг к другу после использования тех или иных методов скрепления.

Адгезия лакокрасочных материалов

Адгезия лакокрасочных покрытий представляет собой сцепление краски с различными материалами. Чаще всего встречается адгезии лакокрасочного вещества и металла. Для того чтобы покрыть металлические изделия слоем краски изначально проводятся тесты взаимодействия двух материалов. Учитывается то, каким слоем необходимо нанести лакокрасочное вещество для того, чтобы определить его степень адсорбции. В последующем определяется уровень взаимодействия красящей пленки и материала, которым она покрывается.