Теоретические исследования качества и параметров антиадгезионных покрытий

 

Адгезия ̶ это связь между поверхностными слоями двух разнородных тел при касании, возникает на границе раздела фаз. Поверхность, к которому прилипает, называют субстратом или подложкой, а другое тело, которой прилипает, называю адгезивом [4].

 

1 ̶ адгезив; 2 ̶ субстрат

Рисунок 1.1­ ̶ Схематичная схема адгезионного соединения [4]

 

Адгезия равна количеству работы совершённой при разделении адгезива и субстрата. Эта работа зависит от площади контакта и типа разъединения веществ: сдвигом вдоль поверхности или отрывом в направлении, перпендикулярном поверхности раздела фаз [5].

Различают шесть типов адгезии:

1. Адгезия частиц;

2. Адгезия жидкости;

3. Адгезия упруго-вязких пластичных тел к твердой поверхности;

4. Адгезия двух твёрдых тел;

5. Адгезия пленок;

6. Адгезия покрытий.

Адгезия твёрдых тел отличается от адгезии частиц и жидкости наличием у последних способности смачивать поверхность [6].

Адгезия пленок и покрытий ̶ это работа, затраченная на отрыв при контакте твердой поверхности с пленкой [6].

Плёнка ̶ это тонкий слой синтетического материала, наносимый на какую-нибудь поверхность или служащий покрытием для различных целей: упаковки, изоляции, придания декоративного вида и т.д. Покрытие ̶ это тонкий слой, нанесённый на субстрат для придания определённых свойств или изоляции от окружающей среды [7].

Адгезионная прочность состоит из равновесной и неравновесной работы. Неравновесная часть отрыва зависит от толщины адгезива, состояния внешней среды, метода отрыва и материала субстрата [6]. Равновесная часть работы отрыва не зависит от условий отрыва, толщины адгезива и внешней среды [7].

Работа адгезии (А) между двух фаз можно представить следующей формулой:

 

(1)

 

где А ̶ характеризует работу, необходимую для разделения 1 м² поверхности раздела 12 на две поверхности раздела,

σ₁ ̶ поверхностное натяжение фазы 1, ;

σ₂ ̶ поверхностное натяжение фазы 2, ;

σ₁₂ ̶ поверхностное натяжение поверхности раздела соприкасающихся фаз 1 и 2, .

 

В теории работа адгезии между двумя фазами очень велика, но на практике работа адгезии должна превышать работу когезии наименее прочного тела [7].

Работу адгезии (А_а) можно представить в общем виде:

 

(2)

 

где Ē ̶ средняя энергия единичной связи, определяющая адгезию, Дж;

N ̶ количество связей на определённую единицу площади контакта адгезива с субстратом.

 

В настоящее время существует большое количество теорий адгезии. Наиболее распространённые: диффузионная, химическая, механическая, электрическая, релаксационная, адсорбционная [7].

Общую схему адгезионного взаимодействия можно представить в виде следующей схемы.

 

1 ̶ Объём адгезива; 2 ̶ Переходный слой адгезива; 3 ̶ Граничный слой; 4 ̶ Переходный слой субстрата; 5 ̶ Объём субстрата

Рисунок 1.2 ̶ Теоретическая реализация адгезионного взаимодействия [7]

 

Механическая теория адгезии основана на взаимодействии адгезива и субстрата. На поверхности субстрата имеются микропоры и трещинки, где закрепляется адгезив [7]. Сцепление зависит от количества пор и трещинок. Данная теория похожа на клеевое соединение и рассчитывается по следующей формуле:

 

(3)

 

где с ̶ сила, необходимая для разрушения соединения, Н;

а ̶ постоянный безразмерный коэффициент;

М ̶ тип механического взаимодействия (пора или трещина);

S ̶ площадь взаимодействия субстрата и адгезива,м².

 

Увеличение шероховатости поверхности приведёт к увеличению сцепления адгезива к субстрату [8].

 

Теории адгезии

 

Адсорбционная теория

 

Адсорбционная теория (называемая также адсорбционно-молекулярной, или молекулярной) рассматривает адгезию как результат проявления сил молекулярного взаимодействия между контактирующими молекулами адгезива и субстрата. Поэтому важно, чтобы адгезив и субстрат обладали полярными функциональными группами, способными к взаимодействию, как это следует из правила полярности. Высокая адгезия не может быть достигнута между полярным субстратом и неполярным адгезивом или между неполярным субстратом и полярным адгезивом [8].

Диффузионная теория адгезии

 

Роль взаимной или даже односторонней диффузии при образовании адгезионных соединений в некоторых случаях может оказаться весьма значительной. Диффузия ̶ один из весьма эффективных способов достижения молекулярного контакта между адгезивом и субстратом. Чем глубже макромолекулы адгезива внедряются в субстрат, тем более благоприятны условия для реализации максимально возможного числа связей между молекулами адгезива и субстрата. Однако это не означает, что без диффузии макромолекул адгезива в субстрат нельзя достичь высокой адгезионной прочности. Но поскольку в реальных системах имеются факторы, снижающие величину адгезионной прочности, диффузия макромолекул адгезива в субстрат может оказаться весьма полезной. Если макромолекулы адгезива при образовании адгезионной связи продиффундируют в субстрат на значительную глубину, то суммарная величина межмолекулярных взаимодействий может превысить силы, необходимые для разрыва химических связей. Этот эффект связан с цепным строением молекул полимерных адгезивов [9].

Часто полагают, что движущей силой диффузии является градиент концентрации. Однако перемещение, вызванное градиентом концентрации и приводящее к постепенной гомогенизации системы, не исчерпывает все возможные проявления этого сложного процесса. Весьма часто при диффузии происходит не выравнивание концентраций, а наоборот, дальнейшее разделение компонентов системы. Поэтому более правильно считать, что движущей силой диффузии является разность термодинамических потенциалов. Выравнивание термодинамических потенциалов и приближение к термодинамическому равновесию достигается за счет теплового движения атомов (молекул) [9].

В основу молекулярно-кинетической диффузии в полимерах положены представления о тепловых флуктуациях в жидкостях. Молекулы диффундирующего вещества передвигаются в конденсированном теле отдельными импульсами через «дырки» ̶ микрополости, которые возникают в результате тепловых флуктуаций кинетических единиц, атомов и молекул в массе конденсированного тела в непосредственной близости от диффундирующей молекулы [8].

Диффузионные и адсорбционные процессы это следствие контакта двух тел и вне контакта не могут, проявлятся [9].

 

Химическая теория адгезии

 

В ряде случаев высокая адгезия может быть обусловлена возникновением химических связей между молекулами адгезива и субстрата, например при склеивании латунной поверхности с каучуком. В присутствии серы происходит химическое соединение меди с нею и с каучуком. Химические связи возникают и при склеивании изоцианатами каучуков с металлами [9].

Видимо, когда адгезив вулканизуется или структурируется после образования контакта между ним и субстратом, образуются химические связи между молекулами адгезива и субстрата. Так, отмечено возникновение химических связей между металлами и клеями на основе аминов, отверждаемых эпоксидными смолами. Имеются сведения о возникновении химических связей между гидроксильными группами макромолекул целлюлозы и метилольными группами мочевиноформальдегидных и фенолформальдегидных смол [9].

Возникновение химических связей эффективно повышает адгезию, поэтому следует использовать подобные сочетания адгезивов и субстратов [9].