Основные теории адгезии: механическая теория, адсорбционная, диффузионная теория, электронная теория, реологическая, «слабых» переходных слоев.

Процесс образования адгезионной связи делят на две стадии.

Первая стадия – транспортная стадия, на ней происходит перемещение молекул адгезива (клеящего вещества, связующего) к поверхности субстрата (тело, на которое наносится адгезив). Далее происходит определенное ориентирование молекул адгезива в межфазном слое, в результате чего обеспечивается тесный контакт между молекулами и функциональными группами молекул адгезива и субстрата. Протеканию первой стадии процесса адгезии способствуют повышение температуры и давления, а также перевод одной из фаз (обычно адгезива) в жидкое состояние растворением или плавлением.

Вторая стадия состоит в непосредственном взаимодействии адгезива и субстрата, которое обусловлено различными силами – от ван-дер-ваальсовых сил до химических сил.

Межмолекулярным взаимодействием контактирующих фаз завершается процесс адгезии, что соответствует минимальной межфазной (поверхностной) энергии.

При склеивании твердых тел на этой стадии происходит затвердевание адгезива. Максимальная адгезия твердых тел недостижима из-за неровностей поверхностей.

Адгезия представляет собой крайне сложное явление, именно с этим связано существование множества теорий, трактующих явление адгезии с различных позиций

Различают несколько механизмов (теорий) адгезии в зависимости от природы взаимодействующих тел и условий адгезии:

1) Механическая - рассматривает системы с разного рода механическими зацеплениями.

Адгезия осуществляется путем затекания в поры и трещины поверхности твердого тела жидкого адгезива. Адгезив затвердевает, обеспечивая механическое зацепление с твердым телом.

Механические зацепления не имеют отношения к межмолекулярным силам

 

2) Молекулярный (адсорбционный) механизм - теория определяет адгезию как результат взаимодействия между адгезивом и субстратом за счет межмолекулярных сил, т.е. как физическую адсорбцию. Согласно этому механизму адгезия возникает под действием молекулярных ван-дер-ваальсовых сил и водородных связей. В этом механизме работает правило: чем ближе по полярности адгезив и субстрат, тем более прочный контакт между ними. В этой теории адгезия рассматривается как поверхностный процесс, в котором решающее значение имеет адсорбция молекул вещест ва (адгезива) на определенных участках твердого субстрата.

Основной вывод этой теории заключается в том, что высокая прочность адгезионного соединения достигается только в тех случаях, когда адгезив и субстрат обладают полярными функциональными группами. Это делает проблематичным объяснение адгезии между слабополярными и неполярными полимерами.

 

3) Электрическая (электронная) теория - связывает адгезию с возникновением двойного электрического слоя на границе раздела между адгезивом и субстратом.

Система адгезив – субстрат отождествляется с конденсатором, а двойной электрический слой, возникающий при контакте двух разнородных поверхностей, – с обкладкой конденсатора, процесс разъединения адгезива и субстрата – с раздвижением обкладок конденсатора.

Отслаивание, как и раздвижение обкладок конденсатора, вызывает увеличение разности электрических потенциалов, которое обусловливает прочность адгезионного контакта.

Следует отметить, что электрические явления, сопровождающие разрушение адгезионных соединений, наблюдаются лишь при определенных условиях эксперимента (абсолютно сухие образцы, большие скорости расслаивания). Кроме того, с точки зрения электрической теории адгезии, сближение химической природы адгезива и субстрата должно приводить к уменьшению контактной разности потенциалов, а, следовательно, и к снижению прочности адгезионного соединения. Этот тезис не находит экспериментального подтверждения.

 

4) Диффузионная теория - сводится к взаимной или односторонней диффузии молекул адгезива и субстрата

Диффузное соединение образуется в результате проникновения компонентов одного материала в поверхность другого с образованием «гибридного» слоя, в котором содержатся оба материала. Процесс диффузии приводит к размыванию границы раздела фаз, взаимному растворению в местах контакта.

Таким образом, адгезия полимеров рассматривается как явление, затрагивающее не только поверхность раздела, но и достаточно широкие (порядка десятка мкм) слои контактирующих фаз и реализующееся посредством межмолекулярных сил.

В результате взаимной диффузии адгезива и субстрата возникает адгезионная прочность.

Экспериментальные данные, полученные в последнее время, свидетельствуют о необходимости рассмотрения процессов, происходящих именно вблизи межфазной границы «адгезив-субстрат». Для осуществления диффузионных процессов необходимо соблюдение двух условий: термодинамического, которое сводится к взаимной растворимости адгезива и субстрата и их совместимости, и кинетического, которое обеспечивается подвижностью макромолекул.

 

 

5) Химическая теория – связана с химическим взаимодействием адгезива и субстрата при адгезии.

Резкую границу между адгезией, обусловленной физическими силами, и адгезией, реализующейся за счет образования химических связей между адгезивом и субстратом, провести нельзя. Поэтому здесь нельзя вести речь о единой модели образования адгезионного соединения, поскольку каждый случай адгезии в рамках данной теории реализуется по индивидуальному механизму.

 

6) Релаксационная теория адгезии - т еория рассматривает процессы деформации, возникновение внутренних напряжений и их релаксацию (постепенного перехода термодинамической системы из неравновесного состояния, вызванного внешним воздействием, в равновесное) в адгезиве при отделении пленок адгезива от поверхности субстрата.

Природа адгезионной связи при этом не меняется: возникает лишь условие для изменения адгезии путем уменьшения числа связей, приходящихся на единицу площади контакта адгезива и субстрата. Теория также учитывает возникновение и релаксацию внутренних напряжений в процессе эксплуатации материала, элементарной ячейкой которого является адгезионное соединение.

7) Теория слабых граничных слоев

Когда молекулярные силы взаимодействия субстрата с адгезивом малы, то это свидетельствует н наличии слабых слоев.

 

Суть этой теории - в зоне контакта адгезива и субстрата образуются «слабые» граничные слои с физикохимическими свойствами, отличными от свойств адгезива и субстрата, которые и определяют прочность адгезионного соединения.

Вероятность разрушения адгезионного соединения строго вдоль межфазной границы крайне мала. Из этого следует, что механизм разрушения может быть только когезионным (внутри объёма) и экспериментально определяемая сила, необходимая для разрушения адгезионного соединения, адгезионной прочностью не является.

Теория слабых граничных слоев не является универсальной она справедлива для случая, когда адгезия материала превышает его когезию. Так, при эксплуатации покрытий в жидких средах более типичен адгезионный характер отслаивания, однако возможен и когезионный.

При детальном рассмотрении некоторых межфазных явлений в полимерных системах обнаружено, что наряду с технологическими причинами возникновения слабых граничных слоев, существуют структурные и термодинамические обоснованные причины появления микрогетерогенности в поверхностных слоях, которые приводят, например, при контакте двух полимеров к образованию переходных областей, отличающихся по структуре и свойствам.

Существенным плюсом данной теории является учет влияния среды, с которой контактирует адгезионное соединение.

Теория слабых граничных слоев почти не принимает во внимание химическую структуру адгезивов.

 

В конкретных условиях один из механизмов может преобладать, но чаще механизм адгезии является смешанным.