Адгезия. 
Коллоидная химия

Работа адгезии

Адгезией (от лат. adhaesio — прилипание) называют межфазное взаимодействие между поверхностями конденсированных фаз при их молекулярном контакте. Термин «адгезия» ввели в 1924 г. X. Бехольд и С. Нейман для обозначения специфического молекулярного сцепления в дополнение к господствовавшим тогда представлениям о механическом характере природы склеивания.

Адгезия, как и адсорбция, есть результат стремления системы к уменьшению поверхностной энергии и является самопроизвольным процессом. В случае адсорбции поверхность адсорбента «закрывается» отдельными молекулами или ионами, а в случае адгезии — другой конденсированной фазой.

Адгезия обеспечивает прочность соединения между двумя разными телами, называемыми адгезивом и субстратом. При достижении молекулярного контакта между адгезивом и субстатом возникает адгезионная связь (рис. 6.1); природа этой связи может быть различна.

? ?О природе адгезионной связи см. в подпараграфе 6.1.2.

При образовании прочной адгезионной связи говорят о высокой адгезии между адгезивом и субстратом, а соответствующие материалы (клеи, лаки, краски, строительные смеси) называют высокоадгезивными.

Различают адгезию между двумя жидкостями, между жидкостью и твердым телом и между двумя твердыми телами. Наибольшее практическое значение имеет адгезия к твердой поверхности (к твердому субстрату). С адгезией на поверхности твердого тела связаны такие процессы, как склеивание, сварка, пайка, нанесение краски, штукатурки и других покрытий. При склеивании адгезив контактирует с двумя субстратами.

Рис. 6.1. Адгезия:

пунктирными линиями показаны адгезионные связи, сплошными — когезионные.

?? О когезии будет рассказано в подпараграфе 6.1.3.

В случае двух твердых тел полный молекулярный контакт практически недостижим. На поверхности твердого тела даже при специальной подготовке всегда имеются неровности, поэтому для достижения высокой адгезии одно из тел предварительно переводят в жидкое состояние (плавлением или растворением).

Если одна из фаз (адгезив) находится в жидком состоянии, то адгезионное взаимодействие является причиной смачивания/несмачивания и растекания жидкости по твердой поверхности или поверхности другой жидкости, поэтому, как правило, адгезия и смачивание сопровождают друг друга.

?? О смачивании и растекании жидкости см. подробнее в параграфе 6.2.

Работа адгезии W._d — это работа обратимого разрыва адгезионной связи между двумя фазами, отнесенная к единице площади. Она измеряется в тех же единицах, что и поверхностное натяжение [Дж/м²].

44 Соотношение между удельной поверхностной энергией и поверхностным натяжением обсуждалось в подпараграфе 1.2.2.

При разрыве адгезионной связи между двумя фазами (рис. 6.2) происходит образование новых поверхностей раздела каждой из них с воздухом (на это затрачивается энергия ₀ + а_{2 0}), а также разрушение границы раздела контактировавших фаз (-tf_t 2)*.

В результате работа адгезии равна.

Рис. 6.2. К выводу соотношения между работой адгезии и поверхностным натяжением взаимодействующих фаз:

О — газ; 1,2 — твердое тело/жидкость Это уравнение (уравнение Дюпре) отражает закон сохранения энергии при адгезии. Из анализа уравнения следует, что чем больше поверхностные натяжения контактирующих фаз и чем меньше конечное межфазное натяжение, тем выше работа адгезии.

На практике надежность соединения характеризуют адгезионной прочностью. Адгезионная прочность W_n включает как работу разрыва межмолекулярных связей (работу №_а), так и работу деформации компонентов адгезионного соединения (работа деформации W^,):

Работа деформации иногда может превышать работу адгезии в несколько раз. Чем прочнее адгезионное соединение, тем в большей степени подвергаются деформации компоненты системы к моменту ее разрушения.

Адгезионную прочность экспериментально определяют с помощью специальных установок при непосредственном разрушении соединения. Испытание основано на измерении силы, которая необходима для нарушения связи адгезива с субстратом (рис. 6.3). Методы испытаний классифицируют по способу нарушения адгезионной связи: отрыв, сдвиг, расслаивание и др.

Аутогезия — связь между однородными конденсированными телами при их молекулярном контакте. Аутогезию можно рассматривать как частный случай адгезии. Взаимодействие частиц порошков, грунта, композиционных материалов, твердых пленок в многослойных покрытиях относится к аутогезии. При адгезии и аутогезии сохраняется граница раздела между телами, в отличие от когезии, определяющей связь внутри тела в пределах одной фазы.

Рис. 63. Определение адгезионной прочности соединения.

Резюме

Адгезия — межфазное взаимодействие между поверхностями конденсированных фаз при их молекулярном контакте. Работа адгезии определяется работой обратимого разрыва адгезионной связи между двумя фазами, отнесенной к единице площади.