Адгезия — прилипание поверхностей¶
Адгезия (от лат. adhaesio — прилипание) — физико-химическое явление взаимодействия и сцепления поверхностей двух разнородных твёрдых или жидких тел, возникающее на границе раздела фаз. В отличие от когезии (внутреннего сцепления однородного вещества), адгезия описывает силы притяжения между разными материалами. Явление лежит в основе работы адгезивов — клеевых составов, обеспечивающих соединение поверхностей.
¶Физическая природа
Адгезивные силы обусловлены межмолекулярным взаимодействием на границе раздела: ван-дер-ваальсовыми силами, водородными связями, химическими связями и электростатическими взаимодействиями. Их интенсивность зависит от природы контактирующих поверхностей, шероховатости, чистоты и температуры.
Различают несколько механизмов адгезии:
- Механический — проникновение адгезива в поры и шероховатости поверхности с последующей «якорной» фиксацией после отверждения.
- Диффузионный — взаимная диффузия молекул адгезива и подложки, характерная для полимеров.
- Адсорбционный — образование межмолекулярных связей за счёт адсорбции компонентов клея на поверхности.
- Химический — образование прочных химических связей между адгезивом и подложкой.
- Электростатический — перенос заряда на границе раздела и образование двойного электрического слоя.
На практике одновременно действуют несколько механизмов, а их вклад определяется системой «адгезив — подложка».
¶Адгезивы
Адгезив — вещество или состав, способный образовывать прочное сцепление (адгезию) с поверхностью другого тела и удерживать соединяемые материалы. Термин используется как синоним слова «клей», однако в технической литературе чаще подразумевает составы с высокой адгезией к конкретным подложкам.
¶Классификация адгезивов
| Признак | Виды |
|---|---|
| По агрегатному состоянию | жидкие, пастообразные, плёночные, порошковые |
| По способу отверждения | физического высыхания, полимеризации, поликонденсации, вулканизации |
| По химическому составу | эпоксидные, полиуретановые, акриловые, силиконовые, фенольные, каучуковые, казеиновые, крахмальные |
| По назначению | конструкционные, упаковочные, столярные, медицинские, электротехнические |
Конструкционные адгезивы (например, эпоксидные и полиуретановые системы) рассчитаны на восприятие значительных нагрузок и используются в авиастроении, автомобилестроении и строительстве. Бытовые клеи (ПВА, суперклеи на основе цианоакрилатов) применяются для мелкого ремонта и склеивания пористых материалов.
¶Методы оценки адгезии
Прочность адгезионного соединения измеряют в единицах силы на единицу площади (МПа). Основные методы испытаний:
- Отрыв — приложение нормальной нагрузки до разрушения соединения (методы растяжения, отрыва по ГОСТ и ISO).
- Сдвиг — приложение касательной нагрузки (методы плоского и цилиндрического сдвига).
- Отрыв ленты (peel test) — для тонких плёнок и ленточных материалов.
- Метод царапания — определение критической нагрузки срыва покрытия с подложки.
Результаты испытаний зависят от скорости нагружения, температуры, влажности и подготовки поверхности, поэтому стандарты (ГОСТ, ISO, ASTM) строго регламентируют условия проведения испытаний.
¶Факторы, влияющие на адгезию
Качество адгезионного соединения определяется рядом факторов:
- Состояние поверхности — загрязнения, оксидные плёнки, влага резко снижают адгезию. Перед склеиванием поверхности обезжиривают, матируют, протравливают или подвергают плазменной обработке.
- Шероховатость — умеренное увеличение шероховатости расширяет площадь контакта и улучшает механическое сцепление.
- Смачиваемость — адгезив должен хорошо смачивать подложку (малый контактный угол).
- Толщина слоя — избыточная толщина адгезива увеличивает внутренние напряжения при отверждении.
- Температура и влажность — влияют на скорость отверждения и долговечность соединения.
¶Применение
Адгезивные технологии применяются практически во всех отраслях промышленности и повседневной жизни:
- Строительство — монтажные клеи, герметики, напольные покрытия, теплоизоляция.
- Автомобилестроение и авиастроение — клеевые соединения кузовных панелей, сэндвич-конструкций, снижающие массу изделия по сравнению с клёпкой и сваркой.
- Электроника — фиксация компонентов, защитные покрытия, термопроводящие клеи.
- Медицина — хирургические клеи на основе цианоакрилатов, перевязочные материалы, зубные пломбировочные составы.
- Полиграфия и упаковка — склеивание картона, этикетирование, производство гофротары.
- Обувная и кожевенная промышленность — проклеивание подошв, склеивание деталей.
В России производством адгезивов занимаются предприятия химической отрасли, включая заводы в Нижнем Новгороде, Перми и Ярославле; значительная часть потребности покрывается импортом.
¶Исторические сведения
Использование клеящих составов известно с древности — смолы, животный клей и растительные камеди применялись ещё в античности. Научное изучение адгезии началось в XX веке с работ по физике поверхностных явлений. Термин «адгезив» в техническом значении закрепился в англоязычной инженерной литературе в 1950-х годах и вошёл в русскоязычную терминологию как калька с английского adhesive.
Источники:
- ГОСТ 28246-89. Клеи. Термины и определения.
- Комиссаров В. Н. Физико-химические основы адгезии. — М.: Химия.
- Пиотровский Б. Г. Адгезия и адгезивы. — Л.: Химия.
- ISO 4587: Adhesives — Determination of tensile lap-shear strength.
- Уайт Дж. Справочник по адгезивам. — М.: Технология.