Основные теории адгезии

В настоящее время не существует единой теории адгезии. Это свидетельствует о многообразии и сложности процессов, лежащих в основе механизма склеивания. Для объяснения всех взаимосвязанных явлений процесса склеи­вания требуется единая строгая теория, разработанная на ос­нове достижений современной науки.

В современной литературе по теории адгезии клеящие веще­ства принято называть адгезивом, а склеиваемые материалы субстратом.

Механическая теория адгезии

Механическая теория адгезии объясняет прочность склеивания способностью клея­щего вещества проникать в поры склеиваемого материала.

По мнению авторов теории, пористые материалы (древесина, пенопласты с шероховатой поверхностью) вследствие увеличен­ной поверхности склеивания, а также «заклинивающего» дейст­вия клеящего вещества в склеиваемом материале обладают повышенной прочностью соединения. Прочность склеивания рас­сматривается как результат действия механического сцепления отвердевшего клея со склеиваемым материалом.

Основные выводы механической теории адгезии сводятся к следующему:

- в пористых телах прочность склеивания зависит исклю­чительно от прочности пленки, от степени пористости склеивае­мого материала. Чем больше открытых пор или чем меньше плотность материала, тем прочность склеивания выше,

- прочность склеивания тем больше, чем меньше толщина клеевой прослойки. Для большинства клеев оптимальная тол­щина клеевой пленки колеблется от 0,05 до 0,25 мм,

- наименьшим склеивающим действием обладают жидко­сти, наибольшим - аморфные смолообразные продукты.

Механическая теория адгезии объясняет склеивание только пористых материалов, чем ограничивается возможность ее при­менения.

Специфическая теория адгезии

Согласно этой теории процесс склеивания рассмат­ривается как проявление поверхностной энергии на границе двух фаз. На различных примерах склеивания авторы теории исследовали влияние поверхностного натяжения; в целом ряде явлений склеивания они обнаружили действие адсорбционных сил.

Установили, что на силы взаимодействия между склеиваемой поверхностью и поверх­ностью затвердевающего склеивающего слоя можно искусст­венно воздействовать различными поверхностно-активными веществами. Для этой цели они предложили на границе раз­дела фаз изменять поверхностную энергию вводом адсорбцион­ного слоя, который назвали молекулярным припоем.

Исследуя причины склеивания гладких поверхно­стей, вводятся в молекулы адгезива поверхностно-активные веще­ства, содержащие гидроксильные и карбоксильные группы. Опыты показали, что соединения, содержащие эти химические группы, склеивались значительно прочнее, чем вещества, ли­шенные их. Таким образом, специфическая теория адгезии объ­ясняет образование прочной связи между адгезивом и субстра­том специфическими межмолекулярными силами — поверхност­ным натяжением, адсорбцией или химическими связями.

Адсорбционная теория адгезии

Адсорбционная теория адгезии появилась сравнительно не­давно в связи с успехами в области физических наук.

Основатели этой теории рассматривают адгезию как поверх­ностный процесс, в котором образование прочной связи между адгезивом и субстратом они объясняют действием межмолекулярных сил - силами Ван дер Ваальса, т. е. силами притяже­ния между атомами и молекулами, малыми по сравнению с си­лами химической связи. Этими силами, как известно, определя­ются и поверхностные явления, в частности адсорбция. Адсорбцией называется свойство поверхностей твердых или жидких тел связывать молекулы другого вещества, принадлежа­щего газообразной или жидкой фазам, соприкасающимся с эти­ми поверхностями.

Процесс адгезии высокополимеров делят на две стадии:

- в первой происходит перемещение (миграция) больших Молекул из раствора или расплава к поверхностям субстрата при помощи микроброуновского движения;

- во второй стадии, носящей название сорбции, устанавливается адсорбционное равновесие.

При определенных расстояниях между моле­кулами адгезива и субстрата начинают действовать межмолекулярные силы - силы Ван-дер-Ваальса, дисперсионные, индук­ционные, электростатические силы, приводящие к образованию связей между адгезивом и субстратом.

Установлено правило, по которому прочная адгезионная связь создается между полярными вещест­вами и никогда не устанавливается между полярным и неполяр­ным веществами.

Недостатками адсорбционной теории являются:

значительное несоответствие между фактической работой адгезии и работой, требующейся на преодоление молекулярных сил.

Адсорбционная теория не может объяснить высокой адгезии между неполярными полимерами, для которых молекулярные силы малы.

Диффузионная теория адгезии

Сущность диффузионной теории адгезии высокополимеров сводится к диффузии цепных молекул или их участков из адге­зива в субстрат с образованием между ними прочной связи.

Исследовав свойства различных полимеров, автор теории пришел к выводу, что наилучшей адгезией обладают высоко­молекулярные вещества, имеющие вытянутые цепочечные моле­кулы. Прочность адгезива, построенного из цепных молекул, зависит от длины последних. Цепные молекулы длиной ниже определенного минимума не обеспечивают удовлетворительной прочности склеивания. В то же время увеличение длины моле­кул (т. е. молекулярного веса) сверх определенного максимума не повышает адгезионной способности адгезива.

Особенность диффузионной теории состоит в том, что она базируется на наиболее характерных свойствах высокомолеку­лярных соединений - цепочечном строении, гибкости молекул и их способности совершать микроброуновское движение.

Если в общем случае способность к диффузии проявляют молекулы адгезива, при нанесении адгезива в виде раствора и при условии, что субстрат при этом способен растворяться в растворе или набухать, может произойти диффузия молекул субстрата в адгезив. Подобного рода процессы возникают при склеивании ряда термопластичных материалов.

Такие свойства термопластичных полимеров, как взаимная растворимость молекул адгезива и субстрата, способность их молекул к микроброуновскому движению, нарушают резкую границу раздела между фазами и образуют переходный слой с постепенным изменением состава и свойств полимера в этом слое. Взаимная диффузия адгезива и субстрата способствует упрочнению связи между двумя полимерами.

Взаимная растворимость полимеров имеет большое практи­ческое значение для их адгезии. Поэтому, предложено использовать адгезию полимеров друг к другу как критерий их совместимости - взаимной рас­творимости друг в друге.

Взаиморастворимость компонентов, от которой зависит адге­зия, определяется соотношением полярностей полимеров. Зна­чение этой связи, согласуется с известным правилом Дебройна, сформулированным им в работе «Принципы полярности». Суть правила Дебройна сводится к следующему: высокая адгезия возможна только в случаях, если оба полимера полярны или не­полярны, и затруднена, если один полимер полярен, а другой не полярен. Однако правило Дебройна, на практике не всегда оправдывается и теоретически не обосновано.

Согласно диффузионной теории на адгезию высокополимеров влияют:

- длительность контакта адгезива и субстрата. Адгезия полимерного адгезива к высокомолекулярному субстрату увели­чивается со временем (сначала быстрее, затем медленнее, стре­мясь к определенному пределу),

- температура прогрева. С повышением температуры про­грева адгезия возрастает (не стремясь к определенному пре­делу),

- молекулярный вес адгезива. Адгезия полимера тем выше, чем ниже его молекулярный вес. Однако, поскольку с уменьше­нием молекулярного веса падает когезионная прочность высоко­молекулярного адгезива, для обеспечения оптимальной адгези­онной способности необходимо выбрать полимер со средним молекулярным весом. Такой полимер будет обладать хорошей адгезией и высокой когезионной прочностью,

- полярность полимеров. В случае полярного субстрата с возрастанием полярности адгезива адгезия уменьшается. Это противоречие объясняется тем, что с увеличением полярности увеличивается жесткость молекул, следовательно, уменьшается их способность диффундировать в субстрат.

Диффузионная теория позволяет понять механизм склеива­ния взаиморастворимых полимеров, но она не объясняет адге­зионных явлений, происходящих при склеивании многих дру­гих материалов - металлов, древесины, стекла и т. п.