Роль поверхности в формирования адгезионного контакта

Одним из условий достижения требуемой адгезионной прочности является обеспечение наибольшей площади контакта адгезива с субстратом. Увеличение площади фактического контакта между адгезивом и субстратом приводит к повышению адгезии независимо от природы сил, действующих между фазами. На величину площади фактического контакта влияют такие факторы, как смачиваемость, вязкость, морфология поверхности субстрата, ее топография, микрорельеф, наличие загрязнений. Поверхность твердого тела неизбежно отражает его внутреннюю структуру. Например, поликристаллический характер металлов обуславливает такие особенности морфологии металлической поверхности, как мозаичность структуры.

Микрорельеф и шероховатость поверхности, вызванные особенностями внутренней структуры, называются первичными или атомно-молекулярными. Наибольшую роль во взаимодействии на границе раздела адгезив-субстрат играют микроскопические и ультрамикроскопические неровности величиной 10-1000 А. К другой группе относятся шероховатости, появившиеся в результате процессов структурообразования, старения, окисления (поры, трещины, капилляры), а также образованные при создании искусственного микрорельефа механическими (шлифование, полировка), физическими (электроискровая, плазменная обработка), химическими (травление, нанесение покрытий) методами.

Для твердых полимеров, выполняющих роль субстрата, также характерна шероховатость, обусловленная структурой полимера. Известно, что в полимерах структурными образованиями являются глобулы, ленты, полосы, фибриллы, сферолиты. Обнаружено, что на поверхности полимеров фиксируются те или иные надмолекулярные образования.

Установлена связь микроповерхности с внутренней структурой и у стекол. Стекла имеют сложный многокомпонентный состав и отличаются структурной неоднородностью. Например, даже поверхность зеркального стекла имеет многочисленные неровности величиной 300-900А.

Неровности на поверхности субстратов образуются в процессе их изготовления (литья, волочения, токарной обработки, фрезерования, экструзии), а также создаются искусственным путем непосредственно перед нанесением адгезива при специальной обработке поверхности субстрата.

Количественной мерой рельефа поверхности служит показатель доступности – произведение амплитуды на число колебаний иглы специального прибора-профилографа. Чем показатель выше, тем больше шероховатость.

Одним из факторов, оказывающих влияние на адгезию, является смачивание (12.13). Смачивание – это процесс самопроизвольного уменьшения свободной энергии системы, состоящей из трех соприкасающихся фаз (рисунке 4.1).

Рисунок 4.1. Смачивание твердой поверхности жидкостью

Капля жидкости (адгезива), помещенная на твердую поверхность, может растечься либо остаться в виде капли. Угол – это краевой угол смачивания. Полному смачиванию отвечает условие, когда ,а полному несмачиванию – °. Между этими двумя крайними случаями наблюдается неполное смачивание

Самопроизвольное растекание жидкости по поверхности твердого тела и полное смачивание возможно только при условии:

или

где – поверхностное натяжение твердого тела; – поверхностное натяжение жидкости; – межфазное поверхностное натяжение на границе твердое тело-жидкость.

Таким образом, система стремится к минимальному запасу энергии, т.е. при изотермическом процессе смачивания выгодна максимальная убыль свободной энергии системы. Чем больше убыль энергии, тем лучше тело смачивается жидкостью. Следовательно, чем меньше поверхностное натяжение жидкости и свободная поверхностная энергия на границе жидкость - твердое тело, тем в большей степени уменьшается свободная энергия поверхности, лучше смачивание.

Почему же с увеличением площади контакта повышается адгезионная прочность? Ответ на этот вопрос лежит в основе положений адсорбционно-молекулярной теории адгезии: более полная площадь контакта адгезива с субстратом обеспечивает и большее число взаимодействующих функциональных групп. Площадь контакта увеличивается при заполнении адгезивом пор, трещин, бороздок на поверхности.

Эти углубления можно рассматривать как капиляры или зазоры между двумя параллельными плоскостями.

Для оценки глубины затекания в них адгезива можно применять уравнение капиллярного поднятия:

, 4.1

где s – поверхностное натяжение; j – угол смачивания; h – высота поднятия адгезива; d – диаметр; r – плотность адгезива.

В капиллярах с диаметром меньше 1 мк, капиллярное давление больше атмосферного, но скорость затекания в силу высокого сопротивления не велика. Жидкость поднимается до тех пор, пока капиллярное давление не уравновесится гидростатическим давлением столба поднявшейся жидкости. Капиллярное давление выражается уравнением:

4.2

Из уравнения Пуазейля можно определить время, необходимое для того, чтобы ламинарно текущая жидкость вязкостью h прошла в капилляре радиусом r путь l:

4.3

Например, расчеты, проведенные по уравнению Пуазейля, показывают, что если жидкость вязкостью 900 П заполнит на поверхности все впадины глубиной см за 5 мин, то высоковязкий адгезив, например, сырая резиновая смесь, заполнит их только за несколько часов. Более вязкий адгезив практически не сможет проникнуть в поверхностные поры. Поэтому требуется применение принудительных мер - повышение температуры, давления, продолжительности выдержки и понижения вязкости адгезива за счет введения растворителя или пластификатора. Однако, надо иметь в виду, что и эти меры в ряде случаев не обеспечивают заполнения всех неровностей, так как проникновению адгезива препятствует воздух, находящийся в углублениях. Жидкий адгезив, имеющий невысокую вязкость, не может вытеснить воздух, оставшийся в порах. Так же при j=0 возможно образование воздушных полостей на границе раздела адгезив-субстрат. При j>0 вероятность образования воздушных полостей возрастает. Оставшийся в капиллярах воздух оказывает сопротивление продвижению жидкокого адгезива.

На кинетику растекания адгезива по поверхности субстрата оказывают: форма, размер пор, угол наклона стенок капилляра. Если сумма углов смачивания и наклона стенок капилляра меньше 180°, жидкость проникает в капилляр, а если больше, то нет.

Практически во всех случаях контакт адгезива с субстратом не бывает полным, остаются не заполненные адгезивом полости, раковины. Это происходит в результате плохого смачивания, высокой вязкости адгезива, недостаточно продолжительного времени пребывания адгезива в виде низковязкой жидкости. Поэтому на границе адгезиив-субстрат остаются поры и пустоты. В результате уменьшается площадь фактического контакта, но и возникают потенциальные очаги разрушения адгезионной связи, т.к. вокруг воздушных полостей на границе раздела концентрируются напряжения. Поэтому полный контакт адгезива и субстрата – одно из основных условий достижения высокой прочности адгезионных соединений.