Низкая адгезия. Адгезия – это что такое? Условия создания прочного адгезионного соединения

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

Каждый человек, работающий в области строительства или ремонта квартир, прекрасно разбирается в терминах и особенностях различных материалов.

Если краска достаточно жидкая, а стена имеет поры, то ремонт пройдет без проблем и будет радовать жильцов долгие годы. В противном случае наносимая смесь просто станет скатываться с гладкой поверхности.

Физические свойства

Когда рабочая смесь ( краска, ) схватываются, в ней происходит целый ряд сложных процессов, в результате которых физические свойства значительно изменяются. Например, когда краска сохнет и дает усадку, поверхность контакта с окрашиваемой стеной немного сокращается. Возникает растягивающее напряжение, нередко приводящее к появлению микротрещин. Из-за этого сцепление двух поверхностей значительно ослабевает.

К сведению: Когезия является частным случаем адгезии – этим термином называется возможность молекул одного вещества прилипать друг к другу, создавая монолитную массу.

У отдельных веществ изначальное сцепление различается. К примеру, если наносить слой свежего бетона поверх старого, то оно будет составлять не более 1 МПа.

Соответственно, при засыхании слой бетона будет просто осыпаться или же держаться не крепко и не долго. А вот строительные смеси, содержащие в себе сложные химические компоненты, улучшающие связь с гладкой поверхностью, могут похвастать куда лучшим показателем – 2 МПа и даже больше.

Поэтому при схватывании они образуют надежную и долговечную связь.

Смеси и растворы

Разобравшись, что такое адгезия в строительстве, будет полезно понять, для каких материалов она является особенно важной в сфере строительства. В первую очередь это:

Лакокрасочные материалы. От их адгезивности зависит глубина проникновения, качество прилипания, а значит и долговечность покрытия. Хорошая адгезия гарантирует, что краска будет крепко держаться на основании, и даже серьезные механические нагрузки не навредят ей.
Гипсовые смеси. Декоративная отделка мягкими, привлекательными и легкими в обработке веществами станет невозможной при плохом сцеплении с основанием.
Раствор для кирпичной кладки. В этом случае разговор идет не об эстетической стороне строительства, а скорее о безопасности возведения здан ий. Если раствор имеет слабую адгезию, это повлияет на прочность и долговечность кирпичной кладки.
Клеящие растворы, включая герметики. Важно своевременно узнать, какие материалы обеспечивают хорошее прилипание. Применение неподходящих смесей приводит к снижению качества соединений.

Как видите, без высокой адгезионной способности материалов нельзя построить дом, не говоря уж про то, чтобы сделать его привлекательным.

Повышение качества сцепления

Это бывает необходимо в самых разных случаях. Важнее всего – адгезия к бетону. Строителям нужно обеспечить хорошее сцепление нескольких слоев бетона или же качественную покраску.

Соответственно и методы достижения желаемого результата значительно различаются. Сегодня доступно несколько вариантов обработки поверхности:

Механическое – шлифование.
Химическое – эластификация.
Физико-химическое – нанесение грунтовки.

Совет: Щелочной раствор цемента обычно плохо соединяется с гладкой поверхностью бетона. Поэтому, работая с последним желательно применять многослойные составы для улучшения адгезии.

Лучшего результата при проведении ремонтно-строительных работ можно достичь, если две контактирующие поверхности имеют не только разный химический состав, но и условия образования.

Проведение измерений

Чтобы работа адгезии была качественной, обеспечивая надежное соединение слоев строительных и отделочных материалов, необходимо регулярно осуществлять контроль качества. Лучше всего использовать для этого специальный адгезиметр. Современные образцы позволяют точно устанавливать эффективность адгезии с усилием до 10 кН.

При этом измеряется усилие, необходимое для отделения слоя от рабочей поверхности. Причем отделение нужно производить строго перпендикулярно рабочей плоскости. Адгезиметр имеет доступную цену и при этом имеет небольшие размеры, что упрощает процесс использования, позволяя моментально получать результаты. Прибор укомплектован несколькими “грибками” – металлическими цилиндрами с основанием разной площади, что дает возможность выбрать подходящий. Измерение проходит в несколько этапов:

“Грибок” соединяется с проверяемой поверхностью мощным клеем.
“Грибок” вставляется в прибор.
Механизм отрыва медленно вращается, пока покрытие не отрывается от основания.
Изучаются показания прибора, фиксирующего момент отрыва.

Принцип использования современных адгезиметров прост, благодаря чему использовать их могут даже непрофессионалы.

Лакокрасочные материалы для отделки

Начиная ремонт, не все знают, что такое адгезия краски, и в результате сталкиваются с большими проблемами – отделочные работы затягиваются и не приносят желаемого результата.

Аутогезия – частный случай адгезии, демонстрирующий возможность частиц однородного материала сцепляться между собой, обычно в результате высокого давления или температуры. Применяется при изготовлении ДВП, ДСП, OSB.

На самом деле здесь всё просто. Адгезия краски это её возможность фиксироваться на окрашиваемой поверхности. Материал должен обладать высокой химической активностью, чтобы проникать в поры голого бетона, а вот на шпаклевку или штукатурку он ложится легко и имеет хорошее сцепление с ними.

Если необходимо получить хороший результат, нужно наносить краску в несколько слоёв. Но он стоит довольно дорого, поэтому можно использовать специальные адгезивные материалы, например, обычную грунтовку. Она стоит дешевле краски, но при этом позволяет гарантировать прекрасный результат.

Взаимодействие с бетоном

Бетон является на сегодняшний день самым востребованным строительным материалом. Но не всегда бывает легко обеспечить качественное сцепление отделочных материалов (плитки, обоев, краски) с таким основанием. Особенно это касается высокопрочных марок с низкой пористостью и гладкой поверхностью. К счастью, есть способы улучшить адгезионный слой.

В некоторых случаях это не требуется – краски, а также обойные и плиточные клеи премиум класса и без того обеспечивают прекрасное соединение благодаря специальным добавкам (полиамидные смолы, эфир канифоли, органосиланы и прочие). Чтобы добиться хорошего результата при работе с более дешевыми аналогами приходится использовать дополнительные материалы – грунтовку и прочее.

Полезное видео: что такое адгезия материалов

Разобравшись с тем, что представляет собой адгезия, частными случаями и способами улучшения, вы без труда справитесь даже с самым сложным ремонтом.

С. А. Ненахов (НПО НЕОХИМ, г. Москва)

Термины адгезионно-клеевой тематики не отнесешь к неологизмам. Так, термин адгезия ввели в 1924 г. Бехольд и Нейман для обозначения специфического молекулярного сцепления в дополнение к господствовавшим тогда представлениям о механическом характере природы склеивания. Появление термина клей в русской лексике относят к XII веку. Тем не менее и сегодня нельзя сказать, что этим терминам присуща специализация значения и семантическая точность даже при использовании их в научной литературе.

Встречающаяся в публикациях и нормативно-технических документах многозначность и неопределенность термина клей и производных от этого термина слов и словосочетаний в основном обусловлена известной терминологической неряшливостью авторов, т. е. это вопрос культуры языка и, может быть, лексикографии. Общепринятые термины клеевой тематики представлены ниже.

Что касается термина адгезия, то многозначность и неопределенность этого термина напоминает путаницу и неразбериху, которая царила в XVII-XVIII веках в фундаментальных понятиях теории теплоты вплоть до тех пор, пока изобретение и применение термометра не сделали возможным четкое разграничение понятий температуры и количества теплоты. Исходя из допустимой аналогии с прошлыми трудностями в формировании понятийного аппарата термодинамики, можно полагать, что и в вопросе адгезии мы имеем дело не столько с проблемой лексической договоренности (конвенционализации) в научном сообществе, сколько с проблемой методологической, а точнее, с аксиоматической проблемой.

Достаточно драматично для своего времени методологическую проблему выразил С.С. Воюцкий, писавший, что существующие теории адгезии рассматривают разные случаи и разные стороны этого явления, и "...единой теории, объясняющей явления адгезии, нет и, вероятно, не может быть. В различных случаях адгезия обусловливается разными механизмами..." . Действительно, по меньшей мере, пять теоретических подходов к механизму адгезии имелись к концу 70-х годов прошлого века: электрическая теория, адсорбционная теория, диффузионная теория, механическая теория и теория слабого граничного слоя. Попытку формального объединения этих теорий предпринял К.В. Ален .

Существующие в литературе многочисленные определения адгезии по семантическим признакам могут быть разделены на три группы. К первой группе отнесем формулировки, определяющие адгезию как процесс (последовательную смену состояний). Ко второй - определяющие как свойство (качество, признак), составляющее отличительную особенность системы. К третьей - определяющие как состояние (внешние или внутренние обстоятельства, в которых находится что-нибудь) системы. Ниже приведены типичные примеры определений.

Адгезия как процесс

"Адгезия (прилипание) - возникновение связи между поверхностными слоями двух разнородных (твердых или жидких) тел (фаз), приведенных в соприкосновение" (П. А. Ребиндер) .

"Адгезия - явление, заключающееся в возникновении физического и/или химического взаимодействия между конденсированными фазами при их молекулярном контакте, приводящее к образованию новой гетерогенной системы" (В. Л. Вакула, Л. М. Притыкин) .

"Адгезия - явление соединения приведенных в контакт поверхностей конденсированных фаз" (Л. М. Притыкин, В. Л. Вакула) .

Примеры такого подхода можно множить. Видно, что здесь адгезия трактуется как процесс в системе из двух конденсированных фаз при их сближении (из бесконечного удаления) до расстояния действия межмолекулярных сил, в результате которого возникает связь между разнородными конденсированными фазами. Надо сказать, что терминами с аналогичной грамматической структурой, этимологически восходящими к латинским корням, действительно, обозначают преимущественно некие процессы, например, адсорбцию, диффузию, сорбцию и т.д. Чтобы не быть голословными, приведем пример из "Физического энциклопедического словаря": "Диффузия - процесс установления внутри фаз равновесного распределения концентраций..." . В отличие от них фонетически близкие грекоязычные по происхождению термины, например, "энергия" и "энтропия" обозначают некую меру. Таким образом, про данный "процессный подход" можно сказать, что здесь семантическое значение термина и его грамматическая форма соответствуют друг другу. Но, с другой стороны, фразы, подобные выражению "кинетика формирования адгезии", тоже нам понятны и не вызывают раздражения.

Адгезия как свойство

"Под адгезией понимают молекулярную связь между поверхностями приведенных в контакт разнородных тел" (А.А. Берлин, В.Е. Басин) [Ю, 11].

"Под адгезией жидкостиподразумевают взаимодействие жидкой и твердой фаз на границе раздела этих фаз" (А.Д. Зимон) .

"Адгезия, прилипание... - связь между приведенными в контакт разнородными поверхностями" (С.С. Воюцкий) .

Б.В. Дерягин с сотрудниками предпринял попытку устранить проблему, разделив процесс и свойство: "Общепринято под адгезией, в отличие от когезии, подразумевать сопротивление нарушению контакта двух разнородных тел. Поэтому явления адгезии естественно относить к поверхностным явлениям, контролируемым поверхностными силами. Для устранения двусмысленности было бы целесообразно термин "прилипание" относить к процессам установления и прогрессивного роста со временем молекулярной связи между двумя телами, термин же "адгезия" применять для обозначения достигнутой прочности этой связи. Таким образом, прилипание в согласии с этимологической основой слова должно обозначать процесс, а адгезия - количественную меру его результата" . Заметим, что с этимологической точки зрения справедлива только первая часть последнего в цитате предложения.

Аналогичные определения в те же годы появляются, например, в англоязычной литературе: С.Wake , Л.-Х.Ли . А. Адамсон, стремясь ограничить многозначность термина, предлагал в узком смысле "под адгезией понимать прочность связи двух соприкасающихся фаз" .

Адгезия как состояние

"Адгезия - такое состояние двух разнородных тел, при котором они удерживаются вместе в тесном межфазном контакте таким образом, что механическая сила или работа могут быть переданы через границу раздела" By Шоухенг) . Отметим, что рамки грамматической структуры термина в этом направлении первыми преодолели англоязычные авторы. Приведенное определение расширяет толкование термина до нового семантического значения - состояния двух разнородных тел. В чем особенность этого состояния? Согласно предложению автора - в наличии межфазного контакта между этими разнородными телами. Такого контакта, что механическая работа может быть передана через границу раздела фаз. Возможность же передачи механической работы через границу раздела означает наличие взаимодействия (силы притяжения, аттракции) между фазами, т.е. данное определение, акцентирующее состояние, по сути, возвращает нас к тому же объекту - межфазной границе и к тому же межфазному взаимодействию.

Подытожим. Во всех трех группах определений речь идет об одном и том же объекте - гетерогенном теле, состоящем из двух разнородных конденсированных контактирующих фаз, при этом тела через границу раздела связаны межмолекулярными силами. Разница между этими группами определений состоит в том, что в первой группе терминов упор делается на процессе возникновения связи или переходе системы в новое состояние - связанное, во второй группе - собственно на наличии связи, мере результата. Наконец, в третьей группе упор делается на состоянии (есть связь, нет связи) и игнорируется процесс.

В современной терминографии, к сожалению, нет единой точки зрения относительно допустимости такой неоднозначности. Специалисты одной школы считают, что однозначность - непременная черта термина . Другие - что многозначность термина не есть доказательство нечеткости языковых понятий , т.е. опереться на терминографию мы не можем. В такой ситуации проще всего - оставить все как есть, поскольку из контекста обычно ясно, о чем идет речь. Педанты предпочтут процессный подход, но время все расставит по местам, а терминология найдет этому объяснение.

Нам представляется, что главная трудность заключается не столько в многозначности приведенных определений - они все о разных сторонах одного и того же явления, сколько в многообразии объектов и явлений, которые пытаются подвести под это определение и рассматривать как явления адгезионные, что и приводит к двусмысленности.

Например, как быть с множеством теорий, объясняющих механизм адгезии? Действительно ли участь адгезии столь печальна, что это явление не может быть описано единой теорией? Не претендуя на детальное рассмотрение всего вопроса, и даже на детальное рассмотрение аксиоматики адгезии, мы здесь лишь выскажем предположение, что число адгезионных теорий может значительно сократиться, если ограничить обычно рассматриваемый круг объектов только теми, о которых действительно идет речь в рассмотренных определениях. Так, если в определении адгезии уточнить, ограничить понятие объекта, а именно отказаться от аморфного словосочетания "разнородные тела (фазы)" в пользу конкретного "несовместимые в термодинамическом смысле фазы", то некоторые теории, числящиеся по классу адгезионных, вьпадут из круга адгезионных проблем.

Например, диффузионная теория. Объекты и явления, описываемые в диффузионной теории, действительно существуют, но это совместимые системы без равновесных межфазных границ, это системы, для которых характерно (в пределе) исчезновение границы раздела, поэтому, строго говоря, их нельзя относить к объектам, рассматриваемым во всех трех приведенных выше группах определений. Конечно, диффузионные процессы многое определяют в поведении (кинетике, равновесных свойствах) совместимых систем. Но эти явления не имеют отношения к адгезии, а скорее, к теории аутогезии или когезии.

Механическая теория адгезии фактически рассматривает системы с разного рода механическими зацеплениями, описание поведения которых при механическом нагружении имеет теоретический и практический смысл, но собственно механические зацепления не имеют отношения к межмолекулярным силам. Конечно, механические зацепления возможны и в реальных адгезионных соединениях. Их вклад в механическую прочность может даже превышать собственно адгезионный вклад, но эта задача относится скорее к учету свойств деформируемых макротел, т. е. к теоретической механике. В соответствии с механической теорией адгезии пазлы также следовало бы отнести к адгезионным объектам.

Теория слабого граничного слоя. В наше время ясно осознано, что вблизи границы раздела фаз происходит перестройка структуры тела. Протяженность этих областей может достигать нескольких десятков микрометров, а сами области характеризоваться другой степенью упаковки молекул, нежели тело в объеме. Согласно этой теории разрушение тела происходит по так называемому слабому слою, который, как правило, локализуется вне собственно границы раздела фаз. Образование этого слоя является следствием действия сил межмолекулярного взаимодействия между фазами, т.е. вторично по отношению к формированию связей на границе раздела несовместимых фаз. В реальных системах разная степень дефектности межфазных слоев способна существенно повлиять на результаты, например, механических испытаний, но это обстоятельство не является ни необходимым, ни достаточным для отнесения теории слабого граничного слоя к теориям адгезии. Скорее, эта теория должна быть отнесена к теориям, объясняющим отклонение от "идеальной" адгезии.

Таким образом, если исходить строго из рассмотренных определений адгезии, то можно констатировать, что единый предмет в определениях адгезии существует - это межфазная граница контактирующих несовместимых фаз. Другое дело, что для описания этого предмета (явления) существуют разные подходы, например, термодинамический. Или в виде молекулярных теорий взаимодействия между макроскопическими телами, например, теория на основе сил Ван-дер-Ваальса, теория на основе потенциала Ленарда-Джонса или теория Лившица, рассматривающая излучаемые телами электромагнитные волны. Эти теории достаточно подробно изложены в ряде монографий, например, в . Другие же теории (механическую и теорию слабого граничного слоя) уместно рассматривать в качестве поправок, учитывающих отклонения (иногда существенные) от идеальной адгезии.

Полемичность изложенного здесь подхода на фоне исторически сложившихся представлений очевидна. Но нам представляется, что система изложенных ограничений (одно из требований аксиоматики) вытекает из всех рассмотренных определений адгезии. Ограничение по объектам и явлениям может помочь отделению вторичных явлений от первичных, помочь отнесению явлений другой, не адгезионной природы к "своей нише". Это и будет означать построение единой и непротиворечивой аксиоматики адгезии и устранение существующей сегодня терминологической двусмысленности.

Словарь

Адгезия (от лат. adhaesio - прилипание, англ. adhesion) - 1) возникновение межмолекулярного взаимодействия между приведенными в контакт разнородными конденсированными фазами; 2) установившееся взаимодействие между фазами на границе раздела и величина, его характеризующая; 3) связанное состояние разнородных фаз (тел), при котором они удерживаются в межфазном контакте.

Абгезив (англ. abhesive) - разделительный материал, предотвращающий адгезию.

Адгезив (англ. adhesive) - 1) клеящее вещество; 2) связующее вещество; 3) клей; 4) липкий; 5) клейкий; 6) материал, соединяющий между собой другие материалы путем сцепления с их поверхностями.

Адгезионный (-ое, -ая) - прилагательное, обозначающее принадлежность некоторого предмета к адгезии, например, адгезионная прочность - прочность адгезионного соединения.

Адгеренд (англ. adherend) - склеиваемый материал, субстрат.

Аутогезия - связь одноименных (совместимых) материалов от момента приведения их в контакт до момента диффузионного исчезновения геометрической границы раздела.

Клей - материал, соединяющий между собой другие материалы путем сцепления с их поверхностями.

Когезия (англ. cohesion) - 1) сцепление между находящимися в контакте поверхностями двух однородных по составу тел; 2) связность; 3) свойство тела, обеспечивающее связывание его частей.

Липкость - сопротивление, оказываемое клеем при отделении его от субстрата.

Промотор - добавка к адгезиву (клею), увеличивающая механическую прочность адгезионных соединений.

Соединение клеевое - соединение двух субстратов (тел) между собой слоем клея.

Субстрат (англ. substrate) - материал, на поверхность которого наносят клей.

Фаза (англ. phase) - однородная обособленная часть системы, отделенная от других частей разграничивающими поверхностями.

"Клеи. Герметики. Технологии" №4, 2007

Термин «адгезия» нередко встречается документах по разным научным дисциплинам. Он применяется и в физике, и в химии, и в биологии. Однако у каждой науки свой подход к тому, что такое адгезия, определение которой с учетом всех граней явления дать не может пока ни один ученый. Правда, все сходятся в одном: она представляет собой соединение, взаимодействие различных частиц.

Если рассматривать ее как процесс, можно сказать, что адгезия - это явление, которое заключается в появлении взаимодействия между некоторыми конденсированными фазами. Когда происходит их молекулярный контакт, это взаимодействие приводит к возникновению новой гетерогенной сущности.

Если этот феномен понимать как свойство, то адгезия - это (в случае с жидкостями) взаимодействие между жидкой и твердой фазами на границе их раздела.

Физика

С позиций физики, адгезия - это сцепление поверхностей различных веществ при их соприкосновении. Причем вещества могут находиться как в одинаковом, так и в разном агрегатном состоянии. Таким образом, эффект может касаться двух твердых, двух жидких или жидкого и твердого веществ.

Вещества сцепляются под воздействием следующих факторов:

возникают химические связи молекул двух веществ,
происходит диффузия, когда молекулы первого вещества проникают под границу поверхности второго,
действуют силы Ван-дер-Ваальса, возникающие тогда, когда происходит поляризация молекул.

Имеются еще частные случаи, когда может проявляться адгезия. Их часто путают. Это аутогезия и когезия.

Аутогезия возникает как следствие сцепления однородных тел, однако граница раздела фаз при этом сохраняется.

Когезия может возникать при взаимодействии молекул одного тела.

В природных условиях возникают случаи, когда адгезия из-за разнообразных внешних причин становится когезией. Такая ситуация возникает при диффузии в случае, если границы фаз становятся размытыми. В ряде случаев сила адгезионной связи между фазами может оказаться больше когезионной. Тогда, в зависимости от прочности вещества, при приложении силы к соединению веществ граница раздела сохраняется либо когезионные связи разрываются.

Химия

Химия имеет сходное с физикой видение процесса адгезии. Многие технологические процессы в химической промышленности взяли на вооружение практическое использование данного явления. Именно оно лежит в основе технологии изготовления композитных материалов, на нем же основано и производство лакокрасочных материалов. Понятие адгезии в химической науке применяют тогда, когда ведут речь о процессе склеивания поверхностей в твердом состоянии клеящим веществом (субстраты склеиваются адгезивом).

Биология

В биологической науке термин используется не в отношении молекул, а применительно к относительно большим по размерам биологическим частицам - клеткам. Адгезия - это такое соединение клеток, которое позволяет сформировать гистологические структуры правильно, а тип этих структур определяется спецификой клеток, участвующих во взаимодействии. Результат взаимодействия зависит от наличия на поверхности соединяющихся клеток определенных белков.

Влияние на свойства материалов

Адгезия обладает возможностью в значительной степени изменять характеристики поверхностей, пришедших в соприкосновение. Она может способствовать приобретению поверхностями низкого коэффициента трения. Если при этом вещества имеют твердую кристаллическую структуру, то становится возможным их дальнейшее использование в качестве антифрикционных смазок. Такие эффекты, как капиллярность и смачиваемость, также происходят вследствие этого явления.

Единица измерения

Когда происходит адгезия, энергия тела на некоторой части поверхности мгновенно становится меньше. По этой причине ее принятоизмерять работой или силой, потребовавшейся для того, чтобы оторвать друг от друга поверхности на определенной единице площади.

Применение адгезии в строительстве

Такое физическое явление, как адгезия, способствовало усовершенствованию технологического процесса изготовления стальных плит и блоков, имеющих тонкие и толстые стенки. Владение информацией о механизмах явления дало возможность увеличить производительность линий изготовления этой строительной продукции и заметно сократить вес конструкций.

Только это явление дает возможность производить окраску и покрытие лаком поверхностей стройматериалов, наносить гальванические и анодные покрытия. Эти операции способствуют созданию антикоррозийной защиты металла, приданию материалу товарного внешнего вида.

Знание природы явления оказывает существенную помощь в качественном склеивании разнообразных материалов и прочной их сварке. При участии адгезии производится покрытие металлов оксидными пленками, выполняющими защитные функции. Эффект находит применение при производстве бетонных работ - в ситуациях, когда не удается сразу добиться полной заливки бетоном объекта. При проведении повторной заливки два бетонных основания образуют между собой так называемый холодный стык, отрицательно влияющий на прочностные характеристики соединения. Адгезия также рекомендована к применению в случаях, когда необходимо отделить бетон от формы из стали. Другими способами эту операцию выполнить просто невозможно. Применение адгезии дает возможность успешно бороться с дефектами поверхностей готовых изделий из бетона.

Цементные растворы

Деление клеевых растворов с участием цемента на классы С1 и С2 базируется на оценке степени адгезии раствора к основанию после затвердевания. Адгезия раствора клея класса С1 к основанию по требованиям европейских стандартов качества должна составлять более 0,5 МПа, в то время как для цементного клеевого раствора класса С2 ее значение - не меньше 1,0 Мпа. Таким образом, разницу между двумя классами растворов определяет прочность адгезии.

Методы определения адгезии

Методы, которыми определяется адгезия (ГОСТ 15140-78):

отслаивание;
решетчатые надрезы;
решетчатые надрезы с обратным ударом;
параллельные надрезы.

Адгезия в металлургии

При адгезии происходит сохранение границы раздела фаз между телами. Адгезия металлов находит свое проявление тогда, когда производится коагуляция неметаллических включений в составе жидких металлов и сплавов. Адгезия содействует укрупнению неметаллических включений, что в дальнейшем приводит к их выведению из металла в шлак.

Эффект адгезии или смачивания неметаллических включений жидким металлом может:

мешать извлечению включений из металла в том случае, если расплав металла хорошо смачивает неметаллические включения (в этом случае имеет место хорошая адгезия);
создавать условия для удаления неметаллических включений из металла в ситуации, когда эти включения недостаточно смачиваются металлическим расплавом (в этом случае величина адгезии невелика).

При проведении холодной сварки практически все твердые металлы, находящиеся в пластичном состоянии, подвергаются соединению под давлением. Адгезия лежит в основе сцепления с металлом гальванических, оксидных, сульфидных покрытий, которые наносятся на поверхность металла с целью защиты изделий от коррозии. Адгезия покрытия обеспечивает надежное его сцепление подобных составов с поверхностью металлов. Она нашла свое применение в порошковой металлургии, когда формируются и спекаются изделия из металлических порошков.

Адгезия материалов широко применяется в случаях, когда необходимо паять, лудить, цинковать, наносить разнообразные лакокрасочные покрытия. Без нее не обходится создание различных композитных материалов. При изготовлении таких материалов частицы какого-либо вещества входят в контакт с основой сплава. Эффект увеличивается при наличии электрического заряда на поверхностях тел, что позволяет при соединении образовать донорно-акцепторную связь. Усиливается адгезия также при проведении химической очистки соединяемых поверхностей. Для этих целей используются обезжиривание, вакуумирование, ионная бомбардировка, воздействие электромагнитного излучения.

Активатор адгезии

Когда эксплуатируется автомобиль, поры мельчайших размеров на поверхности лакокрасочного слоя и полимерных деталей засоряются остатками пыли, смол, автохимии. Вследствие этого попытка что-нибудь приклеить на детали часто оканчивается неудачей вследствие плохой адгезии поверхности. Обезжиривание не позволяет устранить все загрязнения. Активатор адгезии разработан для использования при подготовке поверхностей перед нанесением декоративных пленок, наклеек, шильдиков, двустороннего скотча. Активатор существенно увеличивает адгезионные свойства поверхностей благодаря специально разработанному составу. Его применение позволяет гарантировать, что приклеивание будет надежным и позволит эксплуатировать соединяемые материалы в течение длительного времени. Высокая адгезия, обеспечиваемая активатором, является причиной высокого спроса на него.

— 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 аутогезии (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

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 Wa определяется из уравнения: >Wa = σ1 + σ2 - σ12

где σ1 и σ2 — поверхностное натяжение на границе фаз соответственно 1 и 2 с окружающей средой (воздухом), а σ12 — 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 σ1, σ2 и σ12. Наоборот, адгезия жидкости к поверхности твердого тела, вследствие невозможности непосредственного определения σ1 твердого тела, может быть рассчитана только косвенным путем по формуле: >Wa = σ2 (1 + cos ϴ)

где σ2 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.

Почти все применяемые в практике адгезивы представляют собою полимерные системы или образуют полимер 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

Метод одновременного отрыва одной части адгезионного соединения от другой по всей площади контакта;
Метод постепенного расслаивания адгезионного соединения.

Метод отрыва - адгезия

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/м2, дин/см2, кгс/см2). 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/м2, эрг/см2) (1 дж/м2 = 1 н/м, 1 эрг/см2 = 1 дин/см).

Метод расслаивания - адгезия

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.

Методы испытаний адгезии

Адгезию и аутогезию при испытании на отрыв, сдвиг и расслаивание можно определять на обычных динамометрах или на специальных адгезиометрах. Для обеспечения полноты контакта адгезива и субстрата адгезив применяют в виде расплава, раствора в летучем растворителе или мономера, 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, а 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.

КОГЕЗИЯ (от лат. соhaesus — связанный, сцепленный * а. соhesion; н. Kohasion; ф. соhesion; и. соhesion) — сцепление частиц вещества (молекул, ионов, атомов), составляющих одну фазу. Когезия обусловлена силами межмолекулярного (межатомного) притяжения различной природы

При проведении некоторых видов работ необходимо определять уровень взаимодействия определенных элементов. Важно изначально знать насколько сильно они сцепляются друг с другом, чтобы конструкции была как можно более надежной.