2. Адгезия и аутогезия

1. Основные понятия и определения

Существуют три фактора, обуславливающие прочность композиционных многофазных систем: адгезия, аутогезия и когезия.

Адгезия – сцепление приведенных в контакт разнородных материалов, вызванное межмолекулярным и химическим взаимодействиями. Это всегда энергия взаимодействия одного данного вещества с другим.

Аутогезия – сцепление однородных тел. Силы сцепления при этом одинаковы со стороны обеих поверхностей.

Когезия – сцепление молекул, атомов, ионов вещества в объеме тела.

Аутогезия – частный случай адгезии и когезии: когда структура тела на границе раздела фаз идентична структуре в любой точке его объема, аутогезионное взаимодействие равно когезионному.

2. Теории адгезии

Существует несколько теорий адгезии: механическая, молекулярная, электрическая, диффузионная, химическая.

Механическая теория. Согласно этой теории механическая адгезия осуществляется благодаря наличию неоднородностей субстрата – трещин, пор, ворсинок.

Адгезия происходит в результате затекания адгезива (высокомолекулярного клеящего вещества) в поры и трещины поверхности субстрата (высокомолекулярного склеиваемого материала) и последующего отверждения клея; если поры имеют неправильную форму и особенно если они расширяются от поверхности в глубь субстрата, образуются как бы «заклепки», связывающие адгезив и субстрат.

Механическая адгезия возможна также в случае субстрата, пронизанного системой сквозных пор (например, ткани).

Ворсинки, находящиеся на поверхности субстрата, после нанесения и отверждения клея оказываются прочно внедренными в адгезив.

Механическая адгезия играет существенную роль при склеивании, однако все случаи ею не описываются, так как склеиваться могут и совершенно гладкие поверхности, не имеющие пор и трещин.

Молекулярная теория. Адгезия обусловлена межмолекулярными взаимодействиями. По Дебройну:

1) один и тот же адгезив может склеивать различные материалы;

2) химическое взаимодействие между адгезивом и субстратом вследствие их обычно инертной природы маловероятно.

Правило Дебройна: прочные соединения образуются между адгезивом и субстратом, близкими по полярности.

Электрическая теория. Система «адгезив-субстрат» отождествляется с конденсатором, а двойной электрический слой, возникающий при контакте двух разнородных поверхностей – с обкладками конденсатора. При отслаивании адгезива от субстрата возникает разность электрических потенциалов, возрастающая с увеличением зазора до определенного предела. Электрическая теория адгезии не может быть применена в некоторых случаях адгезии полимеров друг к другу.

Во-первых, эта теория не может объяснить образование адгезионной связи между близкими по своей природе полимерами: двойной электрический слой может возникать только при контакте двух различных полимеров. Следовательно, прочность адгезионного соединения должна падать по мере сближения химической природы полимеров. На самом деле этого не наблюдается.

Во-вторых, неполярные полимеры, исходя из электрической теории, не могут давать прочную адгезионную связь, так как не способны быть донорами электронов. На практике это не так.

В-третьих, наполнение каучука сажей способствует высокой электропроводности, что должно было бы сделать невозможной адгезию. Однако адгезия таких смесей не только друг к другу, но и к металлам достаточно высока.

В-четвертых, трудно объяснить в рамках этой теории утрату адгезионных свойств для вулканизированных каучуков.

Диффузионная теория. Адгезия, как и аутогезия, обусловлена межмолекулярными силами, а диффузия цепных молекул или их сегментов обеспечивает максимально возможное взаимопроникновение макромолекул, что способствует увеличению молекулярного контакта. Эта теория особенно пригодна в случае адгезии полимера к полимеру, потому что исходит из основных особенностей макромолекул – цепного строения и гибкости. Способностью к диффузии, как правило, обладают только молекулы адгезива. Однако, если адгезив наносят в виде раствора, а субстрат способен набухать или растворяться в этом растворе, может происходить и заметная диффузия субстрата в адгезив. Оба эти процесса приводят к исчезновению границы между фазами и образованию спайки, представляющей постепенный переход от одного полимера к другому. Таким образом, адгезия полимеров рассматривается как объемное явление.

Химическая теория. Во многих случаях адгезия может быть объяснена не физическим, а химическим взаимодействием между полимерами. При этом точной границы между адгезией, обусловленной физическими силами, и адгезией, являющейся следствием химического взаимодействия, установить нельзя. Химические связи могут возникать между молекулами полимеров, содержащих функциональные группы, и поверхностями металла, стекла и др., в особенности, если поверхность покрыта оксидной пленкой или слоем продуктов эрозии.

Таким образом, в различных случаях адгезия обусловлена механизмами, зависящими как от природы субстрата и адгезива, так и от условий образования адгезионной связи; многие случаи адгезии могут быть объяснены одновременным действием двух или нескольких факторов.