Анализ сил действующих при адгезии

Вопрос о природе адгезионных явлений в настоящее время имеет особенно важное значение ввиду широкого применения в промышленности склеивания различных материалов при по­мощи высокомолекулярных соединений. Для уяснения химиче­ских и физических явлений, лежащих в основе процессов склеи­вания, ознакомимся с существующими теориями и термино­логией.

Адгезией, или прилипанием, называется связь между по­верхностями двух разнородных твердых или жидких тел, обу­словленная силами межмолекулярного взаимодействия, т. е. силами сцепления разнородных молекул, атомов, ионов, функ­циональных групп, находящихся в поверхностных слоях контактирующихся тел. Эти силы сцепления называются адгезион­ными силами, а само взаимодействие - адгезионным взаимодействием.

В случае контакта двух твердых тел адгезия очень мала вследствие того, что фактическая площадь их контакта из-за неровностей поверхности очень мала по отношению ко всей пло­щади прилегания.

При контакте двух жидких тел или твердого тела и жидкости адгезия на границе раздела фаз при определенных условиях мо­жет быть значительной. Такой же результат достигается в ре­зультате контакта твердых тел в пластичном или эластичном состоянии при высоком давлении.

Адгезия определяется работой, или сопротивлением разрыву, при соответствующей деформации (отрыв или сдвиг). Работа, затраченная на преодоление сил сцепления при разделении частиц двух разнородных поверхностей, называется работой адгезии, или работой отрыва.

Адгезией, или прилипанием, называется связь между поверхностями двух однородных тел, а возникающие в этом слу­чае силы сцепления называются силами адгезии. Приме­ром адгезионного взаимодействия может служить слипание пленок проклеивающего вещества друг с другом.

Когезией называется сцепление молекул, атомов, ионов вещества между собой в объеме тела - клеящего вещества, склеиваемых материалов. Если соприкасающиеся поверхности одинаковы, однородны, адгезия переходит в когезию, характе­ризующую прочность этих тел, силу сцепления их молекул, атомов, ионов. Работа, затрачиваемая против сил сцепления, которые действуют между частицами внутри данного тела, назы­вается работой когезии. У твердых веществ силы когезии значительно больше, чем у жидких, а у газообразных - их нет.

Когезия обусловливается различными силами - силами Ван дер Ваальса, химическими связями (ковалентными и электро- валентными, водородными связями и др.). Эти силы называ­ются силами когезии.

Для обеспечения прочности склеивания необходимо приме­нять клеящие материалы с высокими адгезионными и когезион­ными свойствами.

Прочность склеивания разнородных поверхностей определя­ется соотношением сил адгезии и когезии: адгезия должна быть больше когезии. Если при достаточно высокой когезии силы ад­гезии больше сил когезии, склеивание прочное и, наоборот, если силы когезии преобладают над силами адгезии, склеивание слабое.

Если силы когезии клеящего вещества больше, чем силы его адгезии, например, к древесине, то возникает опасность отделе­ния клеевого слоя от склеиваемой древесины.

Если к клеевому соединению с достаточно высокой адгезией приложить внешнюю силу, разрыв должен произойти не по адге­зионному шву, а когезионно, т. е. внутри наиболее слабого из сопряженных тел.

Как адгезионные, так и когезионные свойства вещества обу­словлены характером межатомных, межмолекулярных связей, величиной и пространственной структурой их частиц. Когезия в значительной мере зависит от величины и формы молекул и других химических свойств клея. Когезия клеевой прослойки характеризует ее механические свойства - прочность, жесткость и смачиваемость.

Под смачиваемостью понимают способность жидкого клея растекаться по поверхности твердого тела в результате действия сил притяжения между частицами жидкого и твердого вещества. Иными словами, при смачивании твердой поверхно­сти жидкостью на границе соприкосновения фаз наблюдается явление адсорбции, суть которой заключается в том, что к твердой поверхности прилегает слой молекул жидкости. Поэтому все клеящие вещества, независимо от их начального физического состояния, должны в процессе склеивания обладать определен­ной способностью смачивать склеиваемые материалы. Это не­обходимо для обеспечения максимального контакта между склеивающим веществом и склеиваемым материалом и их по­следующего взаимодействия в процессе склеивания.

Хорошая смачиваемость клеящим веществом склеиваемого материала влечет за собой образование прочного, а плохая - слабого клеевого соединения. При хорошем смачивании растя­гивающее усилие распространяется равномерно в клеевом шве, при плохом - возникающие в процессе затвердевания напряжения концентрируются в отдельных точках, в которых при незначительных внешних силах происходит разрушение клеевого соединения.

Примером, иллюстрирующим невозможность склеивания не смачивающихся жидким клеем материалов, могут быть синте­тические клеи с активными, функциональными группами в цеп­ных молекулах (-ОН, -СООН, -CN). Эти клеи практиче­ски не смачивают поверхности материалов с низкой поверхност­ной энергией (такие, как полиэтилен, полипропилен) и поэтому совершенно их не склеивают. В то же время материалы с высо­кой энергией поверхности (металлы, кварц, силикатное стекло), хорошо смачивающиеся теми же клеями, обеспечивают высоко­прочные соединения. Однако само по себе смачивание не един­ственное условие, определяющее степень прилипания клея к материалу и прочность клеевых соединений.

Для склеивания инертных полимеров, обладающих низкой поверхностной энергией, с металлами и другими материалами поверхность их предварительно подвергают химическому моди­фицированию путем проведения химических реакций. В резуль­тате химического воздействия в макромолекулах поверхностного слоя образуются адгезионно-активные функциональные группы (—ОН, —СООН, —NH₂), способствующие адгезии полимеров с металлами и другими материалами.

Достаточно высокую адгезию проявляют полярные полимеры, содержащие большое число химически активных функциональ­ных групп (гидроксильных, карбоксильных и др.), к материа­лам, молекулы которых также содержат полярные группы. Не­полярные (углеводородные) полимеры, такие, как полиэтилен, полипропилен, полиизобутилен, проявляют низкую адгезию к полярным полимерам.

Для выяснения адгезионной способности полимеров в зави­симости от их полярности рассмотрим некоторые свойства моле­кул веществ.

Известно, что молекула состоит из относительно тяже­лого, положительно заряженного ядра и гораздо более легких отрицательно заряженных электронов. Молекула, таким образом, представляет собой электрическую систему, состоящую из поло­жительных и отрицательных зарядов. В целом молекула элек­трически нейтральна, так как отрицательные заряды ее электро­нов скомпенсированы (уравновешены) положительными заря­дами ядер.

Молекулы различных соединений делятся на полярные, в которых электрические заряды противоположного знака не скомпенсированы полностью и центры тяжести их приложены в разных местах внутри молекулы, и неполярные.

К полярным веществам относятся вода, кислоты, спирт, целлюлоза, жидкие феноло- и мочевино-формальдегидные смолы и др.

Полярные молекулы, имеющие равные по величине, но про­тивоположные по знаку электрические заряды, расположенные на определенном расстоянии друг от друга, называются ди­полями. Произведение величины этих зарядов на расстояние между ними называется дипольным моментом, который харак­теризует полярность молекул.

Полярные молекулы характеризуются сравнительно боль­шой диэлектрической проницаемостью. Силы притяжения, дей­ствующие между полярными молекулами, обусловлены в значи­тельной степени так называемым ориентационным моментом (молекулы определенным образом ориентированы друг к другу вследствие действия их электрических зарядов). В этом случае наблюдается зависимость сил сцепления и диэлектрической про­ницаемости от температуры.

Сцепление между полярными молекулами называется ориентационным взаимодействием.

Взаимно притягиваясь своими противоположными по заряду полюсами, полярные молекулы стремятся всегда занять такое положение по отношению одна к другой или к полярным моле­кулам других веществ, при котором положительные и отрица­тельные заряды их нейтрализуются. При данных условиях по­тенциальная энергия на поверхности соприкосновения оказывается минимальной, и чем больше уменьшение ее, тем при прочих равных условиях силы сцепления оказываются большими.

К неполярным молекулам относятся молекулы многих веществ, имеющих симметричное строение, например водорода Н₂, азота N₂, кислорода О₂, углекислого газа СО₂ и многих других. В неполярных молекулах в естественном состоянии электрические центры тяжести положительных зарядов ядра и отрицательных зарядов электронов совпадают. У неполярных веществ низкая диэлектрическая проницаемость.

При контакте полярных и неполярных веществ неполярные молекулы могут поляризоваться под действием близко соприкасающихся с ними полярных молекул, в результате чего возникают индуцированные диполи.

Взаимодействие индуцированных диполей с диполями поляр­ных молекул также приводит к взаимному притяжению, но бо­лее слабому, чем в случае взаимодействия диполей полярных веществ. Такое взаимодействие полярных и неполярных молекул называется индукционным взаимодействием.

Различают еще межмолекулярные силы взаимо­действия, которые проявляют молекулы всех веществ - полярных и неполярных. Эти силы также имеют электростати­ческую природу. К ним относятся силы Ван дер Ваальса и дис­персионные силы.

Силами Ван дер Ваальса называются силы взаим­ного притяжения молекул (или отталкивания их при очень тес­ном сближении).

Дисперсионные силы - это силы взаимного притяже­ния между молекулами или атомами, действующие на больших расстояниях.

В отличие от ориентационных сил индукционные и дисперси­онные силы не зависят от температуры.

Адгезия, однако, обусловлена не только вышеуказанными факторами. В зависимости от природы склеиваемых материалов и склеивающих веществ при адгезии могут проявлять себя раз­личные типы химической связи, например гетерополярная, или ионная, гомеополярная, или ковалентная, семиполярная, или ко­ординационная связи, а также водородная связь.

Ионная связь возникает между противоположно заряжен­ными ионами. Образование ионной связи между двумя ато­мами происходит в результате перехода электронов от одного атома к другому. Оба атома, таким образом, превращаются в ионы с разноименными электрическими зарядами. Вследствие взаимного притяжения ионы соединяются друг с другом, образуя нейтральные молекулы. Простейшим примером ионной связи является связь между положительным ионом натрия и отрицательным ионом хлора в молекуле поваренной соли.

Ковалентная связь образуется между двумя нейтраль­ными атомами путем передачи каждым из них одного или не­скольких электронов с образованием электронных пар, общих для обоих атомов.

Семиполярная связь характеризуется некоторым сме­щением общих электронных пар в сторону какого-нибудь одного атома. По своему характеру эта связь занимает промежуточное положение между ионной и ковалентной.

Для большинства синтетических клеящих смол наиболее характерна ковалентная связь.

Особое положение в процессах склеивания занимает водо­родная связь. Она представляет собой специфическое взаимодействие между молекулами, содержащими водород, в группах О - Н; N - Н; Cl - Н; F - Н.

Под влиянием водородных связей происходит ассоциация молекул таких веществ, как спирт, вода, кислота. Водородные связи участвуют в образовании пространственных структур в процессе отверждения некоторых полимеров (феноло-формальдегидных смол). Свойства многих полярных полимеров (целлю­лозы и др.) также обусловлены водородными связями.