Глава 2.Адгезия и работа адгезии

Адгезия, смачивание и растекание относятся к межфазным взаимодействиям, которые происходят между конденсирован­ными фазами. Межфазное взаимодействие, или взаимодействие между приведенными в контакт поверхностями конденсирован­ных тел разной природы, называют адгезией (прилипанием). Адгезия обеспечивает между двумя телами соединение опреде­ленной прочности, обусловленное межмолекулярными силами.

Различают адгезию между двумя жидкостями, между жид­костью и твердым телом и между двумя твердыми телами. Оче­видно, что смачивание и растекание предполагают наличие хо­тя бы одной из фаз в жидком состоянии и обусловлены адге­зионным взаимодействием. Адгезии между двумя твердыми те­лами почти всегда способствует предварительный перевод хотя бы одной из фаз в жидкое состояние для увеличения интенсив­ности молекулярно-кинетического движения и осуществления необходимого контакта. Поэтому, как правило, адгезия и смачивание сопровождают друг друга и соответствующим обра­зом характеризуют межфазное взаимодействие.

Из-за сложности протекающих процессов рассматриваемые о данном разделе межфазные явления до сих пор недостаточно изучены. Поэтому основное внимание будет уделено системам, в которых имеется хотя бы одна жидкая фаза, что позволяет обеспечивать равновесные обратимые условия и соответственна использовать термодинамические соотношении.

Адгезия — результат стремления системы к уменьшению по­пер. ч постной энергии. Поэтому адгезия является самопроизвольным процессом. Работа адгезии W_a, характеризующая прочность адгезионной связи, определяется работой обратимо­го разрыва адгезионной связи, отнесенной к единице площади. Она измеряется в тех же единицах, что н поверхностное натя­жение (Дж/м²). Полная работа адгезии, приходящаяся на всю площадь контакта тел s, равна

W_s=W_as

Чтобы получить соотношение между работой адгезии и по­верхностными натяжениями взаимодействующихкомпонентов, представим себе две конденсированные фазы 2 н 3, имеющие поверхности на границе с воздухом 1, равные единице площа­ди (рис. 1). Это могут быть две жидкости или жидкость и твердое тело. Для упрощения вывода будем считать, что они взаимно нерастворимы. При совмещении этих поверхностей, т. е. при нанесении одного вещества на другие, происходит ад­гезия. Так как система останется двухфазной, то возникнет межфазное натяжение, равное σ_2,3. В результате первоначаль­ная энергия Гиббса системы уменьшается на величину, равную работе адгезии, т. е.

DG+W_a=0 или W_a=-DG (2.1)

Для начального и конечною состояний системы имеем

G_нач=σ_2,3+σ_3,.1 и G_кон=σ_2,3 (2.2)

где σ_{2,1 ,} σ _3,1, σ_2,3- соответственно поверхностное натяжение второго и третьего тела на границе с газом и межфазное натяжение на границе второго тела с третьим.Изменение энергии Гиббса системы в процессе адгезии равно

DG=G_кон-G_нач=σ_2,3-σ_2,1-σ_3,1

или

W_а =σ _2,1 +σ _3,1 -σ _2,3 (2.3)

Это уравнение Дюпре. Оно отражает закон сохранения энергии при адгезии. Из него следует, что работа адгезии тем больше, чем больше поверхностные натяжения исходных ком­понентов и чем меньше конечное межфазное натяжение. В то же время чем больше работа адгезии, т. е. межфазное взаимо­действие, тем меньше межфазное натяжение. Межфазное на­тяжение станет равным нулю, когда исчезнет межфазная по­верхность, что происходит при полном растворении фаз.

Таким образом, условие растворения состоит в том, что работа адгезии между взаимодействующими телами должна быть равна или больше среднего значения суммы их работ когезии. Очевидно, что здесь не учитывается энтропия смеше­ния, которая способствует растворению.

Соответствующим образом межфазное натяжение зависит и от температуры. Если с повышением температуры взаимная растворимость фаз повышается, то межфазное натяжение уменьшается. Если же взаимная растворимость фаз с повыше­нием температуры уменьшается, то межфазное натяжение уве­личивается. Такая зависимость наблюдается и для межфазной границы жидкость - твердое тело. Таким образом, производная da/dT для границы раздела конденсированных фаз может быть меньше, больше и равна нулю.

Так как уменьшение межфазного натяжения сопряжено с тенденцией к выравниванию состава фаз, то оно может сни­зиться до нуля при достижении верхней или нижней критичес­кой температуры, т. с. при полном взаимном растворении фаз.

От работы адгезии необходимо отличать адгезионнуюпроч­ность W_n — работу, затраченную на разрушение адгезионного соединения. Эта величина отличается тем, что в нее входит как работа разрыва межмолекулярных связей (работа W_a), так и работа, затраченная на деформацию компонентов адгезионного соединения (работа деформации W_деф):

W_п = W_а + W_деф

Очевидно, чем прочнее адгезионное соединение, тем в боль­шей степени подвергаются деформации компоненты системы

к моменту ее разрушения. Работа деформации иногда может превышать обратимую работу адгезии н несколько раз. С рос­том скорости приложения нагрузки на систему роль деформа­ции возрастает.

Глава 3. Механизм процессов адгезии

Процесс образования адгезионной связи обычно делят на две стадии. На первой, так называемой транспортной стадии, про­исходит перемещение молекул адгезива (клеющего вещества, связующего) к поверхности субстрата (тело, на которое нано­сится адгезив) и их определенное ориентирование 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. Более тесный контакт между адгезивом и субстратом достигается после тшательной очистки взаимодействующих поверхностей.

Вторая стадия адгезии состоит в непосредственном взаимо­действии адгезива и субстрата, которое может быть обуслов­лено различными силами — от ван-дер-ваальсовых до химиче­ских. Силы ковалентных связей начинают действоватьна рас­стояниях между атомами и молекулами, не превышающих 0,5 нм. Действие ионных и ван-дер-ваальсовых сил проявляется на более дальних расстояниях—приблизительно от 1до 100 нм. Отсюда четко видна необходимость первой стадии процесса ад­гезии.Межмолекулярным взаимодействием контактирующих фаз завершаете» процесс адгезии, что соответствует минималь­но") межфазной (поверхностной) энергии. При склеивании твер­дых тел на этой стадии происходит затвердевание адгезива. Затвердевание наиболее трудно поддается количественному описанию.

Постадийное рассмотрение процесса адгезии позволяет сде­лать заключение, что между двумя жидкостями или жидкостью и твердым телом может быть достигнута максимальная адге­зия, так как между такими фазами обеспечивается полный контакт. Максимальная адгезия твердых тел практически не­достижима из-за неровности их поверхностей, соприкосновение которых происходит только в отдельных точках.

Различают несколько механизмов (и соответственно теорий адгезии) в зависимости от природы взаимодействующих тел и условий, при которых происходит адгезия. Механическая ад­гезия осуществляется путем затекания в поры и трещины поверхности твердого тела жидкого адгезива, который затем затвердевает, обеспечивая механическое зацепление с твердым телом. Согласно молекулярному (адсорбционному) механизму адгезия возникает под действием межмолекулярных ван-дер-ваальсовых сил и водородных связей. Для такой адгезии при­ложимо известное правило сходства веществ по полярности: чем ближе по полярности адгезив и субстрат, тем более прочен контакт между ним. Электрическая теория связывает адгезию с возникновением двойного электрического слоя на границе раздела между адгезивом и субстратом. Отслаивание, как и раздвижение обкладок конденсатора, вызывает увеличение разности электрических потенциалов, которое обусловливает прочность адгезионного контакта. Диффузионный механизм пред­усматривает взаимное проникновение молекул и атомов в по­верхностные слои взаимодействующих фаз. Процесс диффузии приводит какбы к размыванию границы раздела фаз, взаим­ному их растворению в местах контакта. Отдельно выделяется механизм, обусловленный химическим взаимодействием при ад­гезии. В конкретных условиях один из механизмов может пре­обладать, чаще же механизм адгезии является смешанным.

Теоретическая оценка адгезии еше очень приближенна, что объясняется не только несовершенством уравнении, по которым рассчитываются силы межмолекулярных связей, но и тем, что невозможно оценить реальное число связей, приходящееся на единицу площади (оно всегда меньше теоретического, что говорит о возможности увеличения прочности соединения). Кроме того, трудно оценить истинную площадь контакта фаз.которая может быть намного больше визуально наблюдаемой благодаря наличию шероховатостей в поверхностном слое. Для обеспечения прочности соединения шероховатость часто увели­чивают путем специальной обработки поверхностей материалов. Работу адгезии и адгезионную прочность экспериментально определяют при непосредственном разрушении соединения. Работу адгезии можно определить и косвенными методами, ко­торые особенно удобны, если хотя бы одной из взаимодейст­вующих фаз является жидкость и можно измерить, например, краевой угол.