Адгезия цемента к различным основам (поверхностям), является важной технической характеристикой определяющей следующие возможности. В частности: способность цемента удерживать элементы наполнителя бетона, способность цементной штукатурки «прилипать» и длительное время удерживаться на поверхностях стен выполненных из разных материалов.
Также это способность клея на основе цемента «приклеивать» отделочные и теплоизоляционные материалы (искусственный камень, керамическую плитку, пенополистирол, базальтовую вату и пр.) к кирпичу, бетону, пеноблоку, древесине и другим основам.
Слово «Адгезия» в переводе с латинского означает – «прилипание». Имеется ввиду прилипание разнородных или однородных материалов друг к другу. В нашем случае рассматривается «прилипание» растворов на основе цемента: бетон, штукатурка, кладочный раствор, ремонтные составы, клей, другой строительный материал.
Существует три вида адгезии:
Степень адгезии измеряется в МПа. Цифровое значение обозначает величину силы, которую необходимо приложить для того чтобы оторвать адгезив от основания. Например, на упаковке сухой штукатурной смеси «ЭКО 44» указывается, что минимальная адгезия данного материала к основе составляет 0,5 МПа. Это значит что для того чтобы оторвать слой адгезива от основы понадобиться приложить усилие 5 кг на 1 см2 площади.
Степень адгезии материала к основе разнится от вида и возраста основы. Например старый бетон имеет степень адгезии к новому бетону от 0,9 до 1,0 МПа, в то время как современные сухие строительные смеси способны обеспечивать степень «прилипания» до 2 МПа и более.
Лабораторное испытание степени адгезии сухих строительных смесей осуществляют на специальных образцах, в соответствии с требованиями ГОСТ 31356-2007.
Степень «прилипания» адгезива к основе есть величина «переменная», зависящая от ряда факторов:
Чтобы получить величину адгезии соответствующей заданным параметрам, необходимо устранить указанные выше факторы. Применяют следующий комплекс мер:
Как показывает практика, в частном строительстве применяют не весь комплекс мероприятий, а только некоторые пункты – очистку поверхности и увеличение степени шероховатости. Выполнение этих операций не требуют дополнительных затрат и обеспечивают достаточную степень сцепления при всех видах работ: штукатурке, укладке плитки, отделке пола и т.п.
Числовое значение степени сцепления основы с адгезивом определяется специальным прибором «ОНИКС-АП» или его аналогами. Техническая суть технологии заключается в приклеивании рабочей пластины прибора на участок штукатурки, плитки, керамогранита и пр. При этом проверяемый участок должен соответствовать габаритам пластины. Соответствие габаритам пластины обеспечивается пропилами адгезива до основания.
Далее прибор начинает нагружать (отрывать) пластину, пока полностью не оторвет ее от основания вместе с испытуемым участком адгезива. По ходу процесса происходит индикация нарастания величины нагрузки. С помощью данного прибора можно измерять степень адгезии от 0 до 10 МПа. Учитывая высокую стоимость данного прибора, около 70 000 рублей, приобретать его для разового использования в частном строительстве экономически нецелесообразно.
Производители строительных материалов и торговые сети предлагают потребителям широкий выбор сухих строительных смесей «на все варианты»: штукатурки для наружных и внутренних работ, клеи на основе цемента для плитки, керамогранита, искусственного камня, пенополистирола и других теплоизоляционных и отделочных материалов.
При этом адгезия той или иной смеси соответствует своему назначению при соблюдении инструкции по использованию. Поэтому, если застройщики, используя данные составы, четко придерживаются требований производителя, им не стоит беспокоиться и адгезии – величина адгезии обеспечивается автоматически.
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.
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.
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.
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:
На определяемую при испытании прочность адгезионной связи существенным образом могут влиять:
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 .
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.
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:
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:
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.
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.
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:
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.
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:
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.
адгезия (лат. adhaesio прилипание, слипание; сип. адгезивный процесс) в морфологии
сращение серозных оболочек в результате воспаления.
адгезия
ж. Слипание поверхностей двух соприкасающихся разнородных твердых или жидких тел (в физике).
адгезия
АДГЕЗИЯ (от лат. adhaesio - прилипание) сцепление поверхностей разнородных тел. Благодаря адгезии возможны нанесение гальванических и лакокрасочных покрытий, склеивание, сварка и др., а также образование поверхностных пленок (напр., оксидных).
Адгезия
(от лат. adhaesio ≈ прилипание), слипание поверхностей двух разнородных твёрдых или жидких тел. Пример А. ≈ прилипание капелек воды к стеклу. А. обусловлена теми же причинами, что и адсорбция . Количественно А. характеризуется удельной работой, затрачиваемой на разделение тел. Эта работа рассчитывается на единицу площади соприкасающихся поверхностей и зависит от того, как производится их разделение: сдвигом вдоль поверхности раздела или отрывом в направлении, перпендикулярном поверхности. А. иногда оказывается больше, чем когезия, характеризующая силу сцепления частиц внутри данного тела. В этом случае разрыв происходит когезионно ≈ внутри наименее прочного из соприкасающихся тел.
А. твёрдых тел с неровной поверхностью обычно невелика, т. к. они фактически соприкасаются только отдельными выступающими участками своих поверхностей. А. жидкости и твёрдого тела и двух несмешивающихся жидкостей достигает предельно высокого значения вследствие полного контакта по всей площади соприкосновения. При покрытии твёрдого тела полимером в текучем состоянии последний проникает в углубления и поры. После отвердевания полимера возникает связь, иногда называемая механической А. В этом случае для отрыва полимерной плёнки необходимо преодолеть когезию в затвердевшем полимере. Для достижения предельной А. твёрдые тела соединяют в пластическом или эластичном состоянии под давлением, например при склеивании резиновым клеем или при холодной сварке металлов. Прочная А. достигается также при образовании новой твёрдой фазы на поверхности раздела, например в случае гальванических покрытий, или при возникновении поверхностных химических соединений (окисные, сульфидные и др. плёнки).
А. полимеров происходит лучше в том случае, если макромолекулы полярны и имеют большое число химически активных функциональных групп. Для улучшения А. в состав клея или плёнкообразующего полимера вводят активные добавки, молекулы которых одним концом прочно связываются с плёнкой, другим ≈ с подложкой, образуя ориентированный адсорбционный слой. При контакте двух объёмов одного и того же полимера может произойти автогезия (самослипание), когда имеет место диффузия макромолекул или их участков из одного объёма в другой. При этом прочность связи со временем увеличивается, стремясь к пределу ≈ когезионной прочности.
Явление А. имеет место при сварке, паянии, лужении, склеивании, при изготовлении фотоматериалов, а также при нанесении лакокрасочных полимерных покрытий, предохраняющих металлические детали от коррозии; причинами нарушения А. в последнем случае являются напряжения, возникающие вследствие усадки плёнки, а также различие коэффициентов теплового расширения плёнки и металла.
А. не только является условием образования высококачественного покрытия, связующего сварного или клеевого шва, но также и вызывает повышенный износ трущихся деталей. Для устранения А. вводят слой смазки, препятствующий контакту поверхностей.
Лит.: Кротова Н. А., О склеивании и прилипании, М., 1956; Воюцкий С. С., Аутогезия и адгезия высокополимеров, М., 1960; Дерягин Б. В., Кротова Н. А., Адгезия, М.≈ Л., 1949.
В. И. Шимулис.
Адгезия
Адгезия в физике - сцепление поверхностей разнородных твёрдых и/или жидких тел. Адгезия обусловлена межмолекулярными взаимодействиями (Ван-дер-Ваальсовыми, полярными, иногда - взаимной диффузией) в поверхностном слое и характеризуется удельной работой, необходимой для разделения поверхностей. В некоторых случаях адгезия может оказаться сильнее, чем когезия , то есть сцепление внутри однородного материала, в таких случаях при приложении разрывающего усилия происходит когезионный разрыв, то есть разрыв в объёме менее прочного из соприкасающихся материалов.
Адгезия существенно влияет на природу трения соприкасающихся поверхностей: так, при взаимодействии поверхностей с низкой адгезией трение минимально. В качестве примера можно привести политетрафторэтилен (тефлон), который в силу в значения адгезии в сочетании с большинством материалов обладает низким коэффициентом трения. Некоторые вещества со слоистой кристаллической решёткой (графит , дисульфид молибдена), характеризующиеся одновременно низкими значениями адгезии и когезии, применяются в качестве твёрдых смазок.
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 является также одним из важнейших факторов, влияющих на их прочность.
В биологии клеточная адгезия - не просто соединение клеток между собой, а такое их соединение, которое приводит к формированию определённых правильных типов гистологических структур, специфичных для данных типов клеток. Специфичность клеточной адгезии определяется наличием на поверхности клеток белков клеточной адгезии - интегринов, кадгеринов и др. Например, адгезия тромбоцитов на базальной мембране и на коллагеновых волокнах повреждённой сосудистой стенки.
В антикоррозионной защите адгезия лакокрасочного материала к поверхности - наиболее важный параметр, влияющий на долговечность покрытия. Адгезия – прилипание лакокрасочного материала к окрашенной поверхности, одна из основных характеристик промышленных ЛКМ. Адгезия лакокрасочных материалов может иметь механическую, химическую или электромагнитную природу и измеряется силой отрыва лакокрасочного покрытия на единицу площади подложки. Хорошая адгезия лакокрасочного материала к окрашиваемой поверхности может быть обеспечена лишь при тщательной очистке поверхности от грязи , жира, ржавчины и прочих загрязнений. Также для обеспечения адгезии необходимо достичь заданной толщины покрытия, для чего используются толщиномеры мокрого слоя. Для оценки адгезии/когезии приняты и утверждены критерии
Отрицательные ионы, разгоняясь в циклотроне, приобретают центростремительную тенденцию, то есть стремятся больше к адгезии , чем к рассеиванию.
Вначале синий играет роль пассивного центра адгезии , и в результате формируется агломерат, не имеющий свойств кодона, но активно собирающий те фрагменты информагентов, которые мы условно назвали грязью.
Отвержденные эпоксидные смолы отличаются малой усадкой, высокой адгезией , механической прочностью, влагостойкостью, хорошими электроизоляционными свойствами.
16291 0
Во-первых, давайте предположим, что первое условие для адгезии, соблюдать близкий контакт на молекулярном уровне между адгезивом и субстратом. А теперь представим, что будет происходить после того, как материалы вступят в контакт, и как они будут взаимодействовать. Адгезионная связь может быть механической, физической или химической, но обычно она представляет собой комбинацию этих видов связи.
Механическая адгезия
Простейшим видом адгезии является механическое сцепление компонентов адгезива с поверхностью субстрата. Эта адгезия образуется за счет присутствия таких неровностей поверхности, как углубления, трещины, щели, при развитии которых образуются микроскопические поднутрения.
Основным условием образования механической адгезии является способность адгезива легко проникать в углубления на поверхности субстрата, а затем твердеть. Это условие зависит от смачивания поверхности субстрата адгезивом, которая, в свою очередь, связана с соотношением поверхностных энергий материалов, находящихся в контакте, определяющим величину контактного угла смачивания. Идеальной ситуацией является полное смачивание субстрата адгезивом. Для улучшения контакта перед нанесением адгезива следует избавиться от воздуха или пара, присутствующих в углублениях. Если адгезив сможет заполнить поднутрения и затем затвердеть, то, естественно, он блокируется поднутрениями (Рис. 1.10.7).
Рис. 1.10.7. Механическое зацепление между адгезивом и субстратом на микроскопическом уровне
Степень проникновения адгезива в поднутрения зависит как от давления, которое было приложено при его нанесении, так и от свойств самого адгезива. Если попытаться оторвать адгезив от субстрата, то это можно сделать лишь путем его разрыва, так как адгезив невозможно извлечь из поднутрений. Концепция механической адгезии не противоречит условиям для крепления или ретенции несъемных зубных протезов, используемой при их фиксации, за исключением тех явлений, которые происходят на микроскопическом уровне. Важное отличие между этими концепциями заключается в том, что хорошая смачиваемость не является необходимым условием макроретенции, тогда как она играет определяющую роль в создании механического зацепления на микроскопическом уровне.
В целом, поднутрения часто увеличивают механическую прочность соединения, однако обычно этого недостаточно, чтобы был задействован механизм самой (специфической) адгезии. Существует ряд дополнительных механизмов адгезии, вызванных физическими и химическими причинами. Термин истинная или специфическая адгезия обычно используется для того, чтобы отличить физическую и химическую адгезию от механической, однако от подобных терминов лучше отказаться, поскольку они не совсем точны.
Понятие истинной адгезии предполагает, что кроме нее существует адгезия ложная, однако в действительности адгезия либо существует, либо ее нет. Физическая и химическая отличаются от механической адгезии тем, что первые вовлекают адгезив и субстрат в молекулярное взаимодействие друг с другом, в то время как для механической такое взаимодействие на поверхности раздела двух фаз не требуется.
Физическая адгезия
При близком контакте двух плоскостей образуются вторичные связи за счет диполь-дипольного взаимодействия между поляризованными молекулами. Величина возникших сил притяжения очень невелика, даже если они и обладают высоким значением дипольного момента или повышенной полярностью.
Величина энергии связи зависит от относительной ориентации диполей в двух плоскостях, однако обычно эта величина составляет не более 0,2 электрон-вольта. Это значение намного меньше, чем у первичных связей, таких, как ионные или ковалентные, у которых энергия связи обычно колеблется в пределах от 2,0 до 6,0 электрон-вольт.
Вторичные связи за счет диполь-дипольного взаимодействия возникают очень быстро (поскольку для их возникновения не нужна энергия активации) и являются обратимыми (так как молекулы на поверхности вещества остаются химически незатронутыми). Это слабое адсорбционное физическое притяжение легко разрушается при повышении температуры, и оно не подходит для тех случаев, когда требуется постоянное соединение. Тем не менее, такие связи, как водородная, могут стать важнейшей предпосылкой к образованию химической связи.
Из этого следует, что соединение неполярных жидкостей с полярными твердыми веществами затруднено, и наоборот, поскольку между этими двумя веществами будет отсутствовать взаимодействие на молекулярном уровне, даже при их близком контакте. Такое поведение наблюдается у жидких силиконовых полимеров, которые являются неполярными и поэтому не образуют вторичных связей с твердыми поверхностями. Связи с ними возможны только при прохождении химической реакции сшивания, которая создаст места соединений между жидкостью и твердым телом.
Химическая адгезия
Если после адсорбции на поверхности молекула диссоциирует, и затем ее функциональные группы, каждая в отдельности, смогут соединяться ковалентными или
ионными связями с поверхностью, то в результате образуется прочная адгезионная связь. Такую форму адгезии называют хемосорбцией, и она может быть по своей природе как ионной, так и ковалентной.
Химическая связь отличается от физической тем, что два соседних атома совместно обладают одними и теми же электронами. Поверхность адгезива должна быть прочно соединена с поверхностью субстрата через химические связи, поэтому необходимо присутствие реакционноспособных групп на обеих поверхностях. В частности, это относится к образованию ковалентных связей, что происходит, например, при связывании реакционноспособных изоцианатов с полимерными поверхностями, содержащими гидроксильные и аминные группы (Рис. 1.10.8).
Рис. 1.10.8. Образование ковалентной связи между изоцианатом и гидроксильными и аминными группами на поверхности субстрата
В отличие от неметаллических соединений, между твердым и жидким металлами легко образуется металлическая связь — этот механизм лежит в основе паяния. Металлическая связь возникает за счет свободных электронов и не зависит от присутствия реакционноспособных групп. Однако эта связь возможна только в том случае, если металлические поверхности будут идеально чистыми. На практике это означает, что для удаления оксидных пленок необходимо использовать флюсы, в противном случае эти пленки будут препятствовать контакту между атомами металлов.
Единственным путем отделения адгезива от субстрата является механический разрыв химических связей, однако это не означает, что в первую очередь будут разорваны именно эти, а не другие валентные связи. Это накладывает ограничения на прочность, которую можно достичь в соединении. Если прочность склеивания или адгезионного соединения окажется выше прочности при растяжении материалов адгезива или субстрата, тогда раньше, чем разрушится адгезионное соединение, произойдет разрушении когезионное адгезива или субстрата.
Адгезия переплетением молекул (Диффузионный механизм адгезии)
До сих пор мы исходили из предположения, что между адгезивом и субстратом существует четко выраженная поверхность раздела. Обычно адгезив адсорбируется поверхностью субстрата и может рассматриваться, как поверхностноактивное вещество, которое накапливается на поверхности, но не проникает вглубь. В некоторых же случаях адгезив или один из его компонентов способны проникать внутрь поверхности субстрата, а не накапливаться на ней. Следует подчеркнуть, что абсорбция молекул возникает в результате хорошего смачивания поверхности, а не является его причиной.
Если абсорбированный компонент представляет собой молекулу с длинной цепью, или образует молекулу с длинной цепью после поглощения субстратом, то в результате может произойти переплетение или взаимодиффузия молекул адгезива и субстрата, которое приведет к очень высокой адгезионной прочности (Рис. 1.10.9).
Рис. 1.10.9. Диффузионный переходный слой, образо ванный взаимным переплетением молекулярных фрагментов адгезива и субстрата
Это равенство называется уравнением Дюпре. Оно означает, что работа адгезии (W) является суммой свободных поверхностных энергий твердого тела (у) и жидкости (y|v) за вычетом энергии на поверхности раздела между жидкостью и твердым телом (ysl).
Из уравнения Юнга следует,
Ysv Ysi = Ysi cose
Адгезия будет максимальной при полном (идеальном) смачивании, т.е. в случае, когда cosq = 1, следовательно, энергией склеенных поверхностей и энергиями каждой из этих поверхностей в отдельности (Рис. 1.10.10).
Рис. 1.10.10. Отделение жидкости от твердой поверхности с образованием двух новых поверхностей
Поверхностное натяжение жидкого углеводорода составляет приблизительно 30 мДж/м. Если предположить, что силы притяжения убывают до нуля на расстоянии 3 х 10~ метров, то сила, требуемая для того, чтобы отделить жидкость от твердой поверхности равна работе адгезии, деленной на расстояние, и равна 200 МПа.
Фактически, эта величина значительно выше.
Таким образом, адгезивы должны сильно химически притягиваться поверхностью субстратов для обеспечения высокой адгезионной прочности.
Клиническое значение
Врачу необходимо знать, какой вид связи он стремится получить, а для этого требуется понимание этапов создания адгезионного соединения. Это позволит избежать ошибок в работе.
Основы стоматологического материаловедения
Ричард ван Нурт
.jpg)