Адгезия — межфазное взаимодействие веществ¶

Адгезия (от лат. adhaesio — прилипание) — явление межфазного взаимодействия, заключающееся в образовании связи между поверхностями двух разнородных твёрдых или жидких тел при их контакте. Адгезия проявляется в прилипании одного материала к другому и обусловлена силами межмолекулярного взаимодействия: ван-дер-ваальсовыми, электростатическими, химическими и механическими связями.

¶Физическая природа явления

В основе адгезии лежит взаимодействие поверхностных слоёв двух фаз. На поверхности любого тела межмолекулярные силы не уравновешены изнутри, поэтому поверхностные атомы и молекулы обладают избыточной энергией. При контакте двух материалов эта энергия уменьшается за счёт образования межфазных связей.

Различают несколько механизмов адгезии:

• Физическая (ван-дер-ваальсова) адгезия — обусловлена электромагнитным взаимодействием между молекулами контактирующих поверхностей. Наиболее универсальный механизм, работающий при любом контакте.
• Химическая адгезия — образование прочных химических связей (ковалентных, ионных) на границе раздела фаз. Даёт наибольшую прочность сцепления.
• Механическая адгезия — «запирание» одного материала в порах и неровностях другого. Классический пример — проникновение клея в пористую поверхность.
• Электростатическая адгезия — обмен зарядами между поверхностями, приводящий к электростатическому притяжению.

¶Основные характеристики

Количественно адгезию оценивают по работе адгезии (Дж/м²) — энергии, необходимой для разделения единицы площади контакта. Для большинства материалов эта величина составляет от 0,1 до 1 Дж/м² при физическом контакте и может достигать единиц Дж/м² при химическом сцеплении.

На прочность адгезионной связи влияют:

• шероховатость и чистота поверхностей;
• химический состав и полярность материалов;
• температура и влажность;
• длительность контакта;
• вязкость жидкого компонента (для адгезии клеёв).

¶Адгезия и когезия

Адгезию часто противопоставляют когезии — внутреннему сцеплению молекул одного и того же вещества. При разрушении клеевого соединения возможны три исхода: отрыв клея от подложки (адгезионное разрушение), разрыв самого клея (когезионное разрушение) или комбинированный вариант. Обычно прочность адгезии ниже когезии, поэтому разрушение чаще происходит по границе раздела.

¶Адгезия в природе

Яркие примеры адгезии наблюдаются в биологии. Геккон, прилипающий к вертикальным поверхностям, использует ван-дер-ваальсово взаимодействие миллиардов наноскопических волосков на подушечках лап. Аналогичный принцип лежит в основе клейких лент и покрытий, имитирующих природные структуры.

Капля воды, удерживающаяся на стекле, демонстрирует адгезию к твёрдому телу, тогда как когезия удерживает саму каплю от распада. Соотношение этих сил определяет смачиваемость: если адгезия к подложке преобладает над когезией, жидкость растекается; если когезия сильнее — капля сохраняет форму.

¶Применение

Адгезия является основой работы всех клеевых материалов и технологий склеивания. В промышленности адгезионные процессы определяют надёжность:

• лакокрасочных покрытий и гальванических напылений;
• резинотехнических изделий и композитных материалов;
• битумных и полимерных кровельных материалов;
• полупроводниковых структур в микроэлектронике.

В строительстве адгезия цементного раствора к кирпичу или бетону к арматуре обеспечивает прочность конструкций. В медицине адгезионные свойства используются при создании хирургических клеев, перевязочных материалов и биосовместимых покрытий имплантов.

Обратная сторона явления — нежелательная адгезия: налипание пищи на посуду, обмерзание поверхностей, прилипание пыли к экранам устройств. Для борьбы с этим разрабатывают антиадгезионные покрытия, чаще всего на основе фторполимеров (тефлона).

¶Методы исследования

Прочность адгезионного контакта измеряют отрывом, сдвигом, скалыванием или выдавливанием. Стандартные испытания включают:

• метод отрыва (pull-off) — нормальное отделение покрытия от подложки;
• метод сдвига — смещение одного слоя относительно другого;
• ленточный тест — отрыв клейкой ленты от поверхности для оценки адгезии плёнок.

На микроуровне адгезию изучают атомно-силовой микроскопией, измеряя взаимодействие отдельного наконечника с поверхностью.

Источники:

• Гвоздев В. А. «Физика контакта и адгезия»
• Дерягин Б. В., Чураев Н. В., Муллер В. М. «Дисперсионные силы»
• Комаров Ю. М. «Адгезия полимеров и методы её определения»
• Справочник «Химия и технология полимеров»