15927 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
Адгезия, что это такое? И для чего она важна? Давайте попробуем разобраться в нашей статье.
Термин адгезия в переводе с латинского означает «прилипание» и характеризует свойство сцепления поверхностей твердых или жидких тел. Довольно часто характеристики строительных составов, используемых для штукатурных и лакокрасочных работ, оцениваются адгезионными свойствами.
Склеивание тел обеспечивает клеющее вещество – адгезив, представляющее собой полимерную систему. Однако полимер может образоваться в результате химических реакций между склеиваемыми поверхностями после нанесения адгезива. Неполимерные адгезивы представляют органические вещества, к которым относят цементы и припои.
Вещество, на который наносят адгезив, называется субстратом. Глубина проникновения зависит от вида и параметров адгезива, который после отвердения снять без разрушения невозможно. Адгезия – прилипание только верхних слоев материалов. Если процесс проникает во внутрь тел, то происходит когезия.
В строительстве адгезия гарантирует качество и надежность почти во всех видах работ. Это свойство особенно важно для:
Важно знать: только что нанесенный цементный раствор бетона плохо прилипает к старому. Работая со старым бетоном, необходимо применять адгезионные многослойные составы.
Металлургическое производство нуждается в агнезии специальных антикоррозийных составов и смесей. И, кроме того, требуются плохие адгезийные свойства с водой.
В медицине, например, в стоматологии необходима адгезия пломбируемого материала и зуба, чтобы обеспечить его качественную защиту и герметизацию.
По взаимодействию с поверхностями различают три адгезии:
Суть физической агнезии в электромагнитном взаимодействии соприкасаемых поверхностей на молекулярном уровне. Всем известно притягивание магнитом частиц, заряженных статическим электричеством.
Химическая связь взаимодействие адгезива с субстратом на атомном уровне с участием катализатора. Она отличается от физической возможностью сцепления поверхностей материалов разной плотности.
Механическая – проникновение адгезива в верхний слой соприкасаемой поверхности с последующим сцеплением. Такой процесс происходит, например, при окрашивании или лакокрасочном покрытии различных материалов.
Обратите внимание: улучшают агнезию мерами, которые обеспечивают сцепляемость: шпаклеванием, грунтовкой, обезжириванием субстрата, шлифованием.
Кроме того, исключают условия, ухудшающие агнезию. К ним относится наличие пыли, смазки или веществ, которые уменьшают пористость поверхности.
Основной принцип измерения адгезии – определение внешнего усилия, под воздействием которого разрушается адгезийная связь: равномерно, неравномерно или со сдвигом. Под виды разрушения разработаны методы испытаний.
Тестовые испытания проводят прибором адгезиметром по методикам международного и государственного уровня, разработанных для каждого способа разрушения.
Измерение адгезии лакокрасочного покрытия проводится согласно международному стандарту ISO 2409 «Метод решетчатых надрезов» прибором Адгезиметр РН.
В отечественном ГОСТе 15140-78 установлены методы определения адгезии при лакокрасочном покрытии металлических поверхностей. Нормативный документ дает определение сущности каждого метода, перечень аппаратуры для испытаний, описывает подготовку и проведение испытаний.
Значения адгезионных показателей покрытий необходимы для определения трудоемкости работы, обеспечения заданной прочности и надежности. Особенно они важны в строительстве, где часто встречаются контактирующие материалы, разнородные как по химическому составу, так и по условию образования.
Адгезиметры для определения внешнего усилия разными способами представлены в приборостроительном каталоге в разделе Приборы и оборудование контроля качества защитных покрытий.
Что такое адгезия или сцепление материалов, смотрите пояснения в следующем видео:
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.
При таком процессе адгезии осуществляется притяжение разных видов веществ на молекулярном уровне. Ей могут быть подвержены и твердые тела и жидкие.
Слово адгезия в переводе с латинского обозначает сцепление. Это процесс, при котором на два вещества притягиваются друг к другу. Их молекулы сцепляются между собой. В результате для того чтобы разъединить два вещества необходимо произвести внешнее воздействие.
Данное является представляет собой поверхностный процесс, который является типичным почти для всех систем дисперсного типа. Данное явление возможно между таким, комбинациями веществ:
Все материалы, которые начинают взаимодействовать друг с другом при адгезии, называются субстратами. Вещества, которые обеспечивают субстратам плотное сцепление получили название адгезивов. В большинстве своем все субстраты представлены твердыми материалами, которые могут быть металлами, полимерными материалами, пластмассой, керамическим материалом. Адгезивы представлены преимущественно жидкими веществами. Хорошим примером адгезива является такая жидкость, как клей.
Данный процесс может быть результатом:
В настоящее время не редко встречаются случаи, когда процесс адгезии между веществами появляется в результате влияния смешанных факторов.
Прочность адгезии представляет собой показатель того, как плотно сцепляются между собой те или иные вещества. На сегодняшний день прочность адгезионного взаимодействия двух веществ можно определить, используя три группы специально-выработанных методов:
При использовании разных методов могут получиться различные показатели, которые зависят во многом от толщины двух материалов. Берется во внимание скорость отслаивания и угол, под которым необходимо осуществлять разъединение.
В современном мире встречаются различные виды адгезии материалов. Сегодня адгезия полимеров является не редким явлением. При смешивании разных веществ очень важно, чтобы их активные центры взаимодействовали друг с другом. На границе взаимодействия двух веществ образуются электрически заряженные частицы, которые обеспечивают прочное соединение материалов.
Адгезия клея представляет собой процесс притяжения двух веществ путем механического взаимодействия из вне. Клей применяется для склеивания двух материалов в целях создания одного предмета. Прочность скрепления материалов зависит от того, какой прочностью обладает клей при соприкосновении с отдельными видами материалов. Для склеивания материалов, которые плохо взаимодействуют друг с другом, необходимо усилить действие клея. Для этого можно просто использовать специальный активатор. Благодаря нему образуется прочная адгезия.
Очень часто в современном мире приходится иметь дело со скреплением таких материалов, как бетон и металлы. Адгезия бетона к металлу является достаточно не прочной. Чаще в строительстве применяются специальные смеси, которые обеспечивают надежное скрепление данных материалов. Также не редко применяется строительная пена, которая заставляет металлы и бетон образовывать устойчивую систему.
Методы определения адгезии представляют собой способы, при помощи которых устанавливается то, как различные материалы могут взаимодействовать между собой в пределах определенной специфики. Разные строительные объекты и бытовые приспособления созданы из материалов, которые скреплены между собой. Для того чтобы они функционировали в нормальном режиме и не нанесли вреда необходимо тщательно контролировать уровень адгезии между веществами.
Измерение адгезии осуществляется при помощи специализированных приборов, которые позволяют на производственном этапе определить, как прочно изделия прикрепляются друг к другу после использования тех или иных методов скрепления.
Адгезия лакокрасочных покрытий представляет собой сцепление краски с различными материалами. Чаще всего встречается адгезии лакокрасочного вещества и металла. Для того чтобы покрыть металлические изделия слоем краски изначально проводятся тесты взаимодействия двух материалов. Учитывается то, каким слоем необходимо нанести лакокрасочное вещество для того, чтобы определить его степень адсорбции. В последующем определяется уровень взаимодействия красящей пленки и материала, которым она покрывается.
АДГЕЗИЯ (от латинского adhaesio - прилипание, сцепление, притяжение), связь между разнородными конденсированными телами при их молекулярном контакте. Частный случай адгезии - аутогезия, проявляется при соприкосновении однородных тел. При адгезии и аутогезии сохраняется граница раздела фаз между телами, в отличие от когезии, определяющей связь внутри тела в пределах одной фазы. Наибольшее значение имеет адгезия к твёрдой поверхности - субстрату. В зависимости от свойств адгезива (прилипшего тела) различают адгезию жидкости и твёрдых тел (частиц, плёнок и структурированных масс, например теста, расплавов, битумов). Аутогезия возникает между твёрдыми плёнками в многослойных покрытиях и между частицами дисперсных систем и композиционных материалов (порошков, грунта, бетона и др.), определяя их прочность.
Адгезия зависит от природы контактирующих тел, свойств их поверхностей и площади контакта. Адгезия определяется силами межмолекулярного притяжения и усиливается, если одно или оба тела электрически заряжены, если при контакте тел образуется донорно-акцепторная связь, а также вследствие капиллярной конденсации паров (например, воды). Адгезия может изменяться при возникновении химической связи между молекулами адгезива и субстрата, в процессе диффузии и при взаимном проникновении молекул контактирующих тел, при адсорбции на границе раздела фаз и образовании адсорбционных слоёв, а также за счёт подвижности полимерных цепей. В результате этих процессов в зоне контакта адгезива и субстрата может образовываться граничный слой, определяющий адгезию. Между твёрдыми телами в жидкой среде формируется тонкий слой жидкости и возникает расклинивающее давление, препятствующее адгезии. Истинная площадь контакта между адгезивом и субстратом (определяется шероховатостью поверхностей, упругой и пластической деформацией в зоне контакта твёрдых тел, а в случае жидкости - смачиванием выемов шероховатой поверхности) меньше номинальной.
Равновесная работа адгезионных капель определяется краевым углом смачивания и поверхностным натяжением жидкости. Адгезия твёрдых тел измеряется величиной внешнего воздействия при отрыве адгезива, адгезия и аутогезия отдельных частиц - средней силой (рассчитывается как математическое ожидание), порошка - удельной силой. При отрыве плёнок и структурированных тел измеряется адгезионная прочность, которая, кроме адгезии, включает усилие на деформацию и течение образца, разрядку двойного электрического слоя и другие побочные явления. При адгезии, слабой по сравнению с когезией, имеет место адгезионный отрыв, при относительно слабой когезии - когезионный разрыв адгезива. Адгезия полимерных, лакокрасочных и других плёнок определяется смачиванием и условиями формирования площади контакта жидким адгезивом, при его затвердевании - внутренним напряжением и релаксационными процессами, прочность клеевых соединений - ещё и когезией отвердевшей клеевой прослойки.
Мельчайшие наноразмерные частицы обладают повышенной адгезией за счёт значительного избытка поверхностной энергии, микрошероховатости, дефектов поверхностей и особенностей их образования (диспергированием, напылением атомного металла, конденсацией паров или растворённых веществ, термическим распадом и др.) и свойств самих частиц (кристаллы, аморфные тела, полимеры и др.). Адгезия наночастиц определяет возможность создания принципиально новых каталитических и сенсорных систем, композитов и материалов для микроэлектроники и носителей информации.
В зависимости от требований практики адгезию можно увеличивать (например, для лакокрасочных покрытий) или снижать (например, при выпечке хлеба) путём введения добавок, способствующих модификации и изменению свойств контактирующих поверхностей, формированию граничного слоя, а также варьирования внешних условий (давление, температура) и воздействия электромагнитного, лазерного и других форм излучения.
Повышенная адгезия необходима для клеевых соединений, лакокрасочных покрытий и металлических плёнок, в процессе обогащения руды (в том числе при флотации), в ксерографии, при очистке воды и воздуха в фильтрах (в том числе электрофильтрах), в процессе формирования строительных и композиционных материалов (в том числе с использованием наночастиц) и др. Пониженная адгезия необходима для предотвращения загрязнений (в том числе радиоактивных) различных поверхностей, прилипания грунта и материалов к рабочим частям машин, в ходе добычи и транспортировки нефти, при смазке, для смачивания различных поверхностей, пропитки пористых материалов. Пониженная аутогезия необходима для предотвращения слёживаемости и др., а повышенная - для снижения эрозии почв и отрицательных последствий русловых процессов.
Совокупность методов определения адгезии называется адгезиометрией; приборы, их реализующие, - адгезиометрами. Адгезия может быть измерена при помощи прямых (усилия при нарушении адгезионного контакта), неразрушающих (по изменению параметров ультразвуковых и электромагнитных волн вследствие поглощения, отражения или преломления) и косвенных (характеризующих адгезию в сопоставимых условиях, например, отслаиванием плёнок после надреза, наклоном поверхности для порошков и др.) методов. Адгезия наночастиц определяется моделированием и путём сопоставления с силой трения.
Лит.: Дерягин Б. В., Кротова Н. А., Смилга В. П. Адгезия твердых тел. М., 1973; Зимон А. Д. Адгезия пыли и порошков. 2-е изд. М., 1976; он же. Адгезия пленок и покрытий. М., 1977; он же. Что такое адгезия. М., 1983; он же. Коллоидная химия. 4-е изд. М., 2003; Помогайло А. Д., Розенберг А. С., Уфлянд И. Е. Наночастицы металлов в полимерах. М., 2000; Физикохимия ультрадисперсных (нано-) систем. М., 2002; Сергеев Г. Б. Нанохимия. М., 2003.
