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

Закономерности образования и разрушения адгезионных соединений 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 свойства адгезивов и субстратов (прочность и обусловливающие ее параметры, вязкость адгезива а также условия их контакта (температуру t, давление р и продолжительность наиболее изучена АДГЕЗИЯ полимеров, определяющая закономерности склеивания, сварки, совмещения, получения композитов. АДГЕЗИЯ проявляется в процессах трения, смазки, порошковой металлургии, флотации и др., а также при взаимодействии биологических объектов (целостность тканей и т.п.).

Формирование межфазного контакта. Этот процесс в значительной 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 растворов или расплавов полимеров из-за неньютоновского характера их реологического 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 уравением Юнга посредством так называемой термодинамической работы АДГЕЗИЯ (свободный энергии равновесного разделения фаз на бесконечно большое расстояние в изобарно-изотермодинамически условиях):

Эффективность растекания адгезива по поверхности субстрата помимо межфазных свойств определяется также его когезионными характеристиками (в рамках термодинамическое подхода-прежде всего значением так называемой 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 соединений 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 поверхности субстрата и вытеснения воздуха из впадин с деформацией микровыступов, а также повышением подвижности молекул адгезива. На практике кинетическая зависимости изменения площади контакта при адгезионном взаимодействие имеют вид кривых с насыщением, плато на которых соответствует равновесному значению S_m. При его достижении образуется соединение, разрушаемое под действием механической нагрузки или агрессивной среды по наиболее слабому элементу (обычно адгезиву) независимо от природы межфазного взаимодействия. На обеспечение этой цели направлены многочисленные технол. приемы нанесения лакокрасочных покрытий, склеивания и т.д.

Взаимодействие контактирующих поверхностей. Между неполярными адгезивами и субстратами реализуются преимущественно ван-дер-ваальсово взаимодействие или водородные связи, при протекании на границе раздела фаз реакций обмена или присоединения-химической связи; наблюдалось также образование межфазного двойного электрического слоя.

Термодинамич. предпосылка адгезионного взаимодействия состоит в снижении при сближении поверхностей адгезива и субстрата на расстояния, сопоставимые с радиусом действия межмолекулярных сил. Поверхностные энергии контактирующих фаз выражают суммой отдельных компонент, ответственных за проявление дисперсионных сил и химических связей.

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

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

Молекулярно-кинетическая предпосылкой образования адгезионных соединений является обеспечение достаточно высокой подвижности молекул адгезивов и субстратов в зонах, прилегающих к границе раздела фаз. Для полимеров этот показатель увеличивается со снижением молекулярной массы, повышением гибкости макромолекул и температуры. 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 (например, сегментов) через границу раздела фаз.

Тип межфазных связей в адгезионном соединение устанавливают путем выявления линейных зависимостей между и отдельными компонентами (на практике-более доступными характеристиками типа критического поверхностного натяжения). При наличии такой зависимости отадгезионное взаимодействие обусловлено преимущественно ван-дер-ваальсовым взаимодействием, от-химический связями. По известным значениям можно теоретически прогнозировать эффективность адгезионного взаимодействия различные объектов, а на практике - регулировать последнюю (и обусловленную ею прочность адгезионных соединений). Это достигается введением в молекулы адгезивов и субстратов функциональных 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 взаимодействием, так и деформационные свойствами 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 взаимодействие с субстратом). Вклад факторов термодинамическое происхождения в измеряемые значенияможно учесть вводимой по аналогии с плотностью энергии когезии удельная адгезионной энергией Е_А, вклад когезионных характеристик контактирующих фаз - любым физическим параметром Х_к (например, свободный объемом, температурой стеклования), а вклад межфазного контакта-отношениями s_m = S_m/S_n и S_K = S_K/S_n (S_K-суммарная площадь поверхности разрушения). В общем виде:

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

где k-постоянная Больцмана, пс,-так называемой структурный коэффициент Из результатов механические испытаний адгезионных соединений следует, что при конкретных значениях температуры величины G и G_n определяются свойствами адгезива, U_A - свойствами субстрата и только чувствительна к эффективности адгезионного взаимодействия.

Для измеренияииспользуют главным образом разрушающие методы, при оценке результатов которых необходимо учитывать маскирующее влияние механические свойств контактирующих фаз. При S_n -> S_m адгезионные соединения 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 поверхностях загрязняющих их продуктов, образующихся вследствие недостаточной очистки адгезива и субстрата, или деструкции фаз в процессе их контактирования (особенно при повыш. температурах). На практике критерием оптимальности условий образования адгезионных соединений является обеспечение их высокой долговечности и когезионного характера разрушения.

Химическая энциклопедия. Том 1 >> К списку статей