Адсорбционная (молекулярная) теория адгезии

Адсорбционная теория делит процесс образования адгезионной связи на две стадии. Первая - «транспортирование» молекул адгезива к поверхности субстрата. Факторы, облегчающие протекание первой стадии: снижение вязкости, повышение температуры и давления, введение пластификаторов, применение растворителей. Вторая стадия - возникновение молекулярных сил между адгезивом и субстратом.

Адсорбционная теория рассматривает адгезию исходя из ее определения как результат проявления сил межмолекулярного взаимодействия контактирующих тел.

Главным постулатом этой теории является утверждение, что чем выше работа адгезии, тем прочнее адгезионное соединение. Работа адгезии определяется числом связей между контактирующими поверхностями и их энергией. Следовательно, чем больше таких связей и выше их энергия, тем ниже межфазное натяжение между контактирующими фазами и прочнее адгезионное соединение между ними. Связи между адгезивом и субстратом могут быть как химические, так и физические. Энергии этих связей существенно отличаются (табл. 2.1), различна и вероятность их возникновения.

Вероятность возникновения тех или иных связей между адгезивом и субстратом определяется их химическим строением и условиями контакта (температура, время, наличие процесса окисления). Зная химическое строение и химические свойства контактирующих веществ или поверхностей и условия контакта, можно предсказать вероятность образования тех или иных связей и их плотность, и на основании этого прогнозировать адгезионную прочность между этими веществами (на качественном уровне).

 

 

Энергия некоторых видов связей

 

Вид связи	Энергия, кДж/моль
Химические - ионная - ковалентная	до 1000 300 - 500
Водородные	до 40
Физические - дисперсионная - ориентационная - индукционная	1 - 10 до 30 до 20

 

Так, вероятность образования химической связи между полимером и субстратом относительно невелика, из-за низкой химической активности большинства полимеров. Но в случае образования таких связей будет достигнута высокая адгезионная прочность.

Например, при взаимодействии полиуретанов с поверхностью силикагеля или аэросила (аморфный SiO₂), которые на поверхности содержат большое число гидроксильных групп, очень велика вероятность образования химической связи:

R-N=C=O + HO-Siº ® R-N-C-O-Siº

| ||

H O

О

Многие полимеры и наполнители имеют группы, способные к образованию в определенных условиях химических связей: гидроксильные (-ОН), кислотные (-СООН), аминные (-NН₂), эпоксидны (=С - С=) и другие.

Если вероятность образования химических и водородных связей высокая, то следует ожидать высокой адгезионной прочности.

Дисперсионное взаимодействие, в отличие от химического, возникает между любыми телами (молекулами), приближенными на расстояние действия этих сил (несколько ангстрем), но энергия этого взаимодействия мала (табл.2.1). Следовательно, при образовании только дисперсионных связей величина адгезионной прочности между телами будет мала. Ориентационное взаимодействие может возникнуть только между полярными субстанциями, содержащими полярные несимметричные химические связи. Следовательно, между двумя полярными веществами можно ожидать умеренно прочной адгезионной связи. Вместе с тем никогда не образуются соединения с высокой адгезионной прочностью между двумя неполярными веществами или полярным и неполярным веществами.

Основные выводы молекулярной теории адгезии имеют экспериментальное подтверждение (рис. 2.4).

Вместе с тем эта теория имеет много недостатков.

Прежде всего, эта теория качественная. Если представить, что между фазами имеется только слабое дисперсионное взаимодействие, и исходя из этого посчитать адгезионную прочность, то она как минимум на порядок окажется выше наблюдаемой на практике. Это обусловлено сложностью процессов, происходящих при разрушении адгезионного соединения и о несовершенстве молекулярного контакта между субстанциями. Это лишний раз показывает, что понятия адгезии и адгезионной прочности не тождественны.

 

 

Рис. 2.4 Зависимость адгезионной прочности крепления полиэтилена к эпоксидной смоле от гидрофильности полиэтилена (угла смачивания - q). Гидрофильность полиэтилена изменяли путем окисления его поверхности.

 

 

Имеются и другие возражения против молекулярной теории адгезии:

- молекулярная теория не в состоянии объяснить зависимость сопротивления расслаиванию от скорости расслаивания, т.к. работа по преодолению молекулярных сил не зависит от скорости приложения нагрузки;

- молекулярная теория не в состоянии объяснить иногда наблюдаемую высокую адгезионную прочность между двумя неполярными полимерами.