Адгезия

АДГЕЗИЯ (от лат. adhaesio-притяжение, сцепление) (прилипание), явление соединения приведенных в контакт поветей конденсиров. фаз. Эти фазы составляют основу образующегося в результате молекулярного (т.е. по всей межфазной площади) контакта адгезионного соед. и наз. субстратами, а в-ва, обеспечивающие соединение субстратов, - адгезивами. Обычно субстраты-твердые тела (металлы, полимеры, реже-стекла, керамика), адгезивы — жидкости (р-ры или расплавы полимеров, реже-низкомол. продукты). Частный случай А.-аутогезия, реализуемая при молекулярном контакте двух одинаковых по составу и строению объектов.

Закономерности образования и разрушения адгезионных соед. описывают на основе двух независимых подходов-термодинамического и молекулярно-кинетического. В рамках первого из них рассматривают энергетич. характеристики (поверхностные энергии адгезивасубстрата и межфазной границы в рамках второго рассматривают когезионные св-ва адгезивов и субстратов (прочность и обусловливающие ее параметры, вязкость адгезива а также условия их контакта (т-ру t, давление р и продолжительность наиб. изучена А. полимеров, определяющая закономерности склеивания, сварки, совмещения, получения композитов. А. проявляется в процессах трения, смазки, порошковой металлургии, флотации и др., а также при взаимод. биол. объектов (целостность тканей и т.п.).

Формирование межфазного контакта. Этот процесс в значит. мере определяется площадью контактов-фактического S_n и максимального (молекулярного) S_m. Формирование контакта ускоряется повышением р ии снижением:

Достижению S_m препятствует развитость микрорельефа повети субстрата, а также сопротивление граничащих с последней слоев адгезива, особенно существенное в случае р-ров или расплавов полимеров из-за неньютоновского характера их реологич. поведения. Скорость установления межфазного контакта определяется величиной образуемого каплей адгезива на субстрате краевого угла:

Связь между и поверхностными энергиями адгезива и субстрата в начальном приближении устанавливается ур-нием Юнга посредством т. наз. термодинамич. работы А. (своб. энергии равновесного разделения фаз на бесконечно большое расстояние в изобарно-изотермич. условиях):

Эффективность растекания адгезива по пов-сти субстрата помимо межфазных св-в определяется также его когезионными характеристиками (в рамках термодинамич. подхода-прежде всего значением т. наз. работы когезии W_K = ). При W_A — W_K > 0 наблюдается полное смачивание субстрата адгезивом, в иных случаях S_n < S_m.

Продолжительность достижения S_m в реальных соед. субстратов, полученных с помощью полимерных адгезивов, достигает 10²-10³ ч. Ее можно уменьшить, в соответствии с выражениями (1)-(3), интенсификацией затекания адгезива в микровпадины на пов-сти субстрата и вытеснения воздуха из впадин с деформацией микровыступов, а также повышением подвижности молекул адгезива. На практике кинетич. зависимости изменения площади контакта при адгезионном взаимод. имеют вид кривых с насыщением, плато на к-рых соответствует равновесному значению S_m. При его достижении образуется соед., разрушаемое под действием мех. нагрузки или агрессивной среды по наиб. слабому элементу (обычно адгезиву) независимо от природы межфазного взаимодействия. На обеспечение этой цели направлены многочисл. технол. приемы нанесения лакокрасочных покрытий, склеивания и т.д.

Взаимодействие контактирующих поверхностей. Между неполярными адгезивами и субстратами реализуются преим. ван-дер-ваальсово взаимод. или водородные связи, при протекании на границе раздела фаз р-ций обмена или присоединения-хим. связи; наблюдалось также образование межфазного двойного электрич. слоя.

Термодинамич. предпосылка адгезионного взаимод. состоит в снижении при сближении пов-стей адгезива и субстрата на расстояния, сопоставимые с радиусом действия межмол. сил. Поверхностные энергии контактирующих фаз выражают суммой отдельных компонент, ответственных за проявление дисперсионных сил и хим. связей.

Более полный анализ включает также учет электростатич. взаимодействий. В общем случае эффективность адгезионного взаимод., выражаемая прочностью адгезионных соед., для полимерных систем описывается зависимостью:

где а, b, с - константы субстрата, характеризующие его адгезионные св-ва и конкретный тип нагружения соед. вне зависимости от природы адгезива. С помощью выражения (4) по расчетным или эксперим. значениями табличным значениям a, b и с можно определить сопротивление адгезионных соед. сдвигу (в МПа) или расслаиванию (в Н/м).

Молекулярно-кинетич. предпосылкой образования адгезионных соед. является обеспечение достаточно высокой подвижности молекул адгезивов и субстратов в зонах, прилегающих к границе раздела фаз. Для полимеров этот показатель увеличивается со снижением мол. массы, повышением гибкости макромолекул и т-ры. При 0 рост подвижности макромолекул обусловливает совместимость фаз адгезива и субстрата в зоне их контакта вплоть до предельного случая, когда возможна взаимная диффузия по механизму перемещения отдельных участков цепи (напр., сегментов) через границу раздела фаз.

Тип межфазных связей в адгезионном соед. устанавливают путем выявления линейных зависимостей между и отдельными компонентами (на практике-более доступными характеристиками типа критич. поверхностного натяжения). При наличии такой зависимости отадгезионное взаимод. обусловлено преим. ван-дер-ваальсовым взаимодействием, от-хим. связями. По известным значениям можно теоретически прогнозировать эффективность адгезионного взаимод. разл. объектов, а на практике - регулировать последнюю (и обусловленную ею прочность адгезионных соед.). Это достигается введением в молекулы адгезивов и субстратов функц. групп, повышающих поверхностную энергию и гибкость молекул контактирующих фаз. Данный подход составляет основу разработки рецептур клеев и процессов подготовки субстратов к склеиванию или нанесению покрытий.

Прочность адгезионных соединений. Эта характеристика определяется как межфазным взаимод., так и деформац. св-вами адгезивов и субстратов (различными в объеме и в приповерхностных слоях фаз) и возникающими в них при адгезионном контакте напряжениями G (прежде всего тангенциальными напряжениями G_n, развивающимися в адгезиве при его усадке вследствие полимеризации или взаимод. с субстратом). Вклад факторов термодинамич. происхождения в измеряемые значенияможно учесть вводимой по аналогии с плотностью энергии когезии уд. адгезионной энергией Е_А, вклад когезионных характеристик контактирующих фаз - любым физ. параметром Х_к (напр., своб. объемом, т-рой стеклования), а вклад межфазного контакта-отношениями s_m = S_m/S_n и S_K = S_K/S_n (S_K-суммарная площадь пов-сти разрушения). В общем виде:

Практически важный критерий прочности адгезионных соед. - их долговечность, т.е. продолжительностьсохранения целостности и заданных мех. св-в в условиях внеш. нагружения или воздействия агрессивных сред. Помимо названных выше факторов (t, G и G_n) эта величина определяется энергией активации разрушения U_A . Согласно кинетич. концепции прочности:

где k-постоянная Больцмана, пс,-т. наз. структурный коэф. Из результатов мех. испытаний адгезионных соед. следует, что при конкретных значениях т-ры величины G и G_n определяются св-вами адгезива, U_A - св-вами субстрата и только чувствительна к эффективности адгезионного взаимодействия.

Для измеренияииспользуют гл. обр. разрушающие методы, при оценке результатов к-рых необходимо учитывать маскирующее влияние мех. св-в контактирующих фаз. При S_n -> S_m адгезионные соед. разрушаются, как правило, по наименее прочной из фаз (когезионный характер разрушения). Менее вероятно разрушение по межфазной границе (адгезионный характер). Оно реализуется при наличии на взаимодействующих пов-стях загрязняющих их продуктов, образующихся вследствие недостаточной очистки адгезива и субстрата, или деструкции фаз в процессе их контактирования (особенно при повыш. т-рах). На практике критерием оптимальности условий образования адгезионных соед. является обеспечение их высокой долговечности и коге-зионного характера разрушения.

Лит.: Дерягин Б. В., Кротова Н.А., Смилга В.П., Адгезия твердых тел, М., 1973; Берлин А. А., Басин В. Е., Основы адгезии полимеров, 2 изд., М., 1974; Вакула В. Л., Притыкин Л.М., Физическая химия адгезии полимеров. М. 1984; Bikerman J.J.. The science of adhesive joints, 2 ed., N. Y.-L. 1968; Kaelble D. H., The physical chemistry of adhesion, N.Y., 1971; Wu S., Polymer interface and adhesion, N.Y., 1982; Bischof C, Possart W., Adhesion: Thcoretische und experimentelle Grundlagen, В., 1983.

Л. М. Притыкин. В. Л. Вакула.