Химическая

Химическая теория адгезии дает представление о химическом происхождении связи «субстрат - адгезив». Наиболее характерным примером является:

– адгезия полимера к металлу;

– адгезия полимера к наполнителям;

– адгезия полимера к волокнам разной природы.

Металл, наполнитель, волокно выступают в роли субстрата, полимер – в роли адгезива. Между поверхностными группами субстрата (например, окисные пленки, включающие кислородсодержащие группы разного строения и др.) и функциональными группами полимера образуются химические связи разной природы (ковалентные, ионные, координационные);

Несмотря на значительные успехи в исследованиях адгезионного взаимодействия, достигнутые за последнее время, нельзя утверждать, что механизм такого взаимодействия достаточно ясен. По мере накопления экспериментальных данных и развития теоретических представлений становится ясным, что любой односторонний подход к явлению адгезии не может объяснить его достаточно полно. Можно считать, что положение даже усложнилось. Это связано с тем, что разработанные ранее теории адгезии претерпели значительную трансформацию. В настоящее время можно говорить о сближении ряда теорий по некоторым основным положениям. Это касается оценки адгезионного взаимодействия (или прочности адгезионного соединения) и выявления роли факторов, влияющих на данный показатель.

Об эффективности адгезии обычно судят по величине «адгезионной прочности», которую оценивают работой разрушения склейки «субстрат-субстрат» или «субстрат – адгезив - субстрат» (А_ад).

Адгезионное взаимодействие в отличие от когезионного осуществляется не в объеме, а на поверхности. Поэтому адгезионная прочность определяется суммарной энергией адгезионных связей, приходящихся на единицу поверхности контакта.

(3.61)

где S – истинное значение поверхности контакта двух тел, соответствующее единице номинального значения поверхности контакта;

U_i – энергия адгезионной связи i-того типа;

n_i – число адгезионных связей, приходящихся на единицу поверхности.

Существуют несколько факторов, которые действуют против сил адгезии. Так, во многих случаях при формировании контакта на границе раздела возникают внутренние напряжения, которые совершают работу против сил адгезии (А_вн).

Во время действия внешних сил, разрушающих адгезионный контакт, часть адгезионных связей будет разрушена вследствие тепловых флуктуаций.

В общем случае, адгезионная прочность (Аd) может быть выражена следующим соотношением:

(3.62),

где γ - параметр, учитывающий температурно-скоростную зависимость прочности.

(3.63),

где К –коэффициент, v- скорость, Т- температура.

Величина S – истинная величина поверхности контакта определяется, в свою очередь, температурой и временем контакта, определяющих скорость протекания микрореологических процессов, в результате которых формируется поверхность контакта. Кроме этого, величина S лимитируется вязкостью адгезива η и формой пор (К₁) (формула 4).

(3.64)

где P – давление;

t_k – время контакта (затекания);

В частности, для цилиндрических капилляров величина К₁ примерно равна 3,17 (отношение глубины затекания l к диаметру d).

Согласно диффузионной теории, развитие диффузионных процессов не позволяет говорить о поверхности контакта, ибо вместо него действует диффузионный слой, в котором и осуществляются контакты, приводящие к

образованию адгезионных связей.

Таким образом, адгезионная прочность может быть выражена следующим уравнением (3.65)

(3.65)

где N_i - число i-тых связей, препятствующих адгезионному разрушению на единице номинальной поверхности.

Величина N_i определяется скоростью диффузии звеньев и сегментов макромолекул, а также совместимостью адгезива и субстрата. В свою очередь, эти процессы определяются температурой и временем контакта.

Совместимость адгезива и субстрата определяются природой материалов и может быть оценена удельной энергией сил смачивания W уд (уравнение 3.66) или изменению свободной энергии Гиббса ∆G (уравнение 3.68-3.70).

(3.66),

где σ_с – поверхностная энергия субстрата;

σ_ад – поверхностная энергия адгезива;

σ_с-ад – межфазное натяжение между компонентами.

Для слабополярных компонентов величина σ_с-ад может быть определена из соотношения:

, (3.67)

где δ_с и δ_ад – параметры растворимости субстрата и адгезива, соответственно.

(3.68)

∆H=β_* φ_с* φ_ад* V, (3.69)

где β – параметр совместимости;

φ_с и φ_ад – объемные доли компонентов, субстрата (с) и адгезива (ад);

V – объем.

∆S=-R (n_c*ln φ_с +n_ад* ln φ_ад), (3.70)

где n _c и n_ад – мольные доли компонентов субстрата (с) и адгезива (ад);

R – газовая постоянная.

Величина адгезионной прочности определяется способом оценки и условиями проведения испытания. Если условия проведения испытания заложены в формуле (3.65), то способ проведения испытания при определении адгезионной прочности играет заметную роль.

Например, если при проведении испытания происходит деформирование субстрата, то механизм разрушения от чисто адгезионного переходит к адгезионно-когезионному.

В этом случае прочность композита «субстрат - адгезив» будет зависеть от величины работы деформирования граничного слоя субстрата (А_деф).

(3.71)

Таким образом, при определении прочности адгезионного соединения необходимо учитывать затраты энергии не только на разрушение адгезионных связей, но и на деформацию субстрата или пленки адгезива, когезионные свойства последнего, роль остаточных внутренних напряжений.

В многослойных композитах (шинах) прочность и долговечность определяются:

– адгезионной прочностью между каучуком и наполнителем;

– адгезионной прочностью между слоями полимера;

– адгезионной прочностью между резиной и волокнами разной природы;

– когезионной прочностью полимерных слоев исходного полимера и измененного под влиянием субстрата.

Разберем частные случаи формирования адгезионного контакта.

Дата добавления: 2015-08-20