Теоретическое обоснование работы

Адгезия (от лат. ас1Нае$ю — прилипание) в физике — сцепле­ние поверхностей разнородных твердых и/или жидких тел. Адге­зия обусловлена межмолекулярным взаимодействием (ван-дер-ваальсовым, полярным, иногда — образованием химических свя­зей или взаимной диффузией) в поверхностном слое и характери­зуется удельной работой или силой, необходимой для разделения поверхностей. Действие тех же межмолекулярных сил внутри од­ной фазы называют когезией. Разделение контактирующих фаз по поверхности раздела называют «адгезионным» расслаиванием или разрушением, а разделение по одной из фаз — «когезионным». В некоторых случаях адгезия может оказаться больше, чем коге-зия, и тогда при попытке разрушения адгезионного контакта про­исходит когезионный разрыв, т. е. образование новой поверхности в объеме менее прочного материала.

Адгезия пленок и покрытий — явление, которое возникает при контакте твердых поверхностей с пленками, находящимися на этих поверхностях.

Как правило, структура пленки или покрытия формируется в результате соприкосновения с твердой поверхностью. Пленки, сформированные до контакта с твердым телом, приобретают в результате адгезии новые свойства. Например, исходные могут быть очень хрупкими, но при контакте с твердой поверхностью это отрицательное свойство пленок исчезает за счет адгезии. Пленки могут приобретать и дру­гие положительные качества при переходе из исходного со­стояния в состояние покрытия.

Клеевые материалы, прилипающие к твердой поверхности, называют адгезивом, а саму поверхность, на которую они наносятся — субстратом или подложкой. Пленки обычно наносят на какую-либо твердую поверхность для того, чтобы в одном случае изоли­ровать субстрат от внешней среды или наклеить этикетку с соответствующей информацией о субстрате или его со­держимом, если это тара. Это делается для предупреждения коррозии, придания поверхности каких-либо специальных свойств (смазочных, декоративных и др.)

Адгезия пленок количественно определяется при помощи ме­тодов, основанных на отрыве пленок. Установлено, что внешнее усилие, обусловли­вающее отрыв пленок, всегда больше суммы только адгезионных сил, потому что при отрыве усилие тратится на преодоление адгезии и на другие побочные процессы. Это означает, что истинную адгезию пленок измерить точно не представляется возможным. Кроме того, величина истинной адгезии не поддается и теоретическому точному расчету.

В лабораторной практике адгезия пленок и покрытий оценива­ется путем измерения силы, необходимой для отрыва пленок от субстрата. К измеряемым параметрам внешних воздействий отно­сят силу отрыва F_отр и работу отрыва A_отр. В большинстве случаев отрыв пленки является постепенным актом разрушения адгезионного контакта и происходит пу­тем перемещения линейной границы отрыва вдоль поверхности субстрата. В таком варианте разрушения контакта материалов, ад­гезия может характеризоваться произведением силы отрыва F_отр на расстояние перемещения границы отрыва пленки, т. е. работой отрыва пленки от поверхности А_отр. Чаще оценку адгезионной прочности проводят по величине работы отрыва А_отр..

При отрыве пленок на преодоление адгезии тратится лишь часть работы А_АД, а остальная часть работы, причем весьма значитель­ная, расходуется на побочные процессы. К числу таких процессов относится деформация пленок, так как пленка отрывается после­довательно, то та часть пленки, которая уже отделилась от поверх­ности под действием растягивающей силы изменяет свою форму и деформируется. На деформацию пленки затрачивается часть рабо­ты отрыва А_Д.

А_отр = А_АД + А_Д + А_Э + А_П + А_ВН. (1)

При описании адгезионной прочности в единицах силы, уси­лие, необходимое для отрыва единицы площади контакта — F_отр по аналогии с условием (1) следует записать:

F_отр = F_АД + F_Д + F_Э + F_П + F_ВН. (2)

В большинстве случаев реализуется условие: А_отр > А_АД или F_отр > F_АД

Реальная адгезионная прочность существенно больше только одной равновесной адгезии и включает всю энергию, которая расходуется для нарушения адгезионной связи и все побочные процессы.

Величина адгезионной прочности существенно зависит от раз­меров отрываемых пленок и от методов отрыва. Вследствие этого, адгезионная прочность одной и той же пленки разной толщины, например, к однотипным поверхностям имеет разные значения. Адгезионная прочность будет зависеть от ширины пленки, скоро­сти ее отрыва, направления силы отрыва по отношению к поверх­ности субстрата и ряда других факторов.

Фактически, адгезия за счет молекулярных сил формируется в граничном слое, состоящем, как правило, не более чем из двух слоев молекул и имеющем толщину порядка 1 нм. Гранич­ный слой может быть «слабым», т. е. уменьшать адгезионную прочность, и «сильным», т. е. усиливать адгезионную прочность.

Граничный слой обусловливает адгезионное взаимодействие за счет межмолекулярных сил и химического взаимодействия между адгезивом и субстратом; за счет примесей, находящихся в твердых телах; под действием взаимной растворимости компонентов, входящих в адгезив; в результате изменения смачивания поверхности субстрата расплавом адгезива при формировании пленок; как следствие диффузии, адсорбции и окислительных процессов.

Адгезия твердых тел с неровной поверхностью обычно невелика, так как они фактически соприкасаются только отдельными вы­ступающими участками своих поверхностей. Адгезия жидкости и твердого тела и двух несмешивающихся жидкостей достигает пре­дельно высокого значения вследствие полного контакта по всей площади соприкосновения. При покрытии твердого тела полиме­ром в текучем состоянии — последний проникает в углубления и поры. После отверждения полимера возникает связь, иногда назы­ваемая механической адгезией. В этом случае для отрыва поли­мерной пленки необходимо преодолеть когезию в затвердевшем полимере. Для достижения предельной адгезии твердые тела со­единяют в пластическом или эластичном состоянии под давлени­ем, например, при склеивании резиновым клеем или при холодной сварке металлов.

Адгезия полимеров больше тогда, когда макромолекулы со­прикасающихся тел сильно полярные или имеют достаточное число химически активных функциональных групп. Для улуч­шения адгезии в состав клея вводят активные добавки, молеку­лы которых одним концом прочно связываются с адгезивом, другим — с подложкой, образуя ориентированный адсорбцион­ный слой.

Определение адгезионной прочности методом отслаивания. В отличие от методов одновременного отрыва пленок, в группе методов определения адгезионной прочности, методом отслаива­ния, отрыв пленок происходит путем последовательного наруше­ния контакта между соприкасающимися телами.

Определение ад­гезионной прочности методом отслаивания возможно в том случае, когда адгезив или (и) субстрат являются гибкими.

Различные варианты метода отслаивания показаны на рис.3. Сила отрыва может быть приложена либо к адгезиву (рис. 3 а, в, г), либо к субстрату (рис. 3 б). При реализации метода отслаивания одно из контактирующих тел должно быть неподвижным. Чаще таким неподвижным телом является субстрат. Сила отрыва может быть направлена под некоторым углом к поверхности контакта двух тел (рис. 3 д). Зная угол a между поверхностью субстрата и направлением силы отрыва, а также расстояние L, которое прохо­дит пленка под действием силы отрыва, можно определить работу отрыва пленки.

Сила отрыва в начале процесса отрыва пленки от поверхности, как правило, должна быть больше, чем в процессе отрыва. В связи с этим разграничивают статическую (соответствующую началу от­рыва пленки) и динамическую (в процессе отрыва пленки) силы отрыва. Значения сил отрыва зависят от скорости отрыва. С изме­нением скорости отрыва пленок меняется расход внешнего усилия на побочные процессы и величина адгезионной прочности. Поэтому, при определении адгезионной прочности методом отслаивания, следует указывать скорость отрыва пленок.

Рис. 3. Методы определения адгезионной прочности путем

постепенного отрыва самоклеющихся этикеток (метод отслаивания): а, б, в, г, д — варианты метода отслаивания; 1 — этикетка (липкая лента, скотч); 2 — поверхность полимерного изделия (субстрата)

Метод отслаивания при внешней силе отрыва, направленной под углом 180° (рис. 3 в), применяется для определения адгезион­ной прочности пленок к гибкой основе.

Существует и ряд других специальных методов определения адгезионной и когезионной прочности пленок, из которых можно назвать метод расщепления, среза, сдвига и кручения.

Для определения адгезионных характеристик методами от­слаивания склеенных между собой гибких пленок в научных ис­следовательских целях следует пользоваться разрывной машиной, позволяющей не только фиксировать усилие отслаивания, но и задавать и поддерживать определенную скорость этого процесса.

Однако в условиях отсутствия специального оборудования и для проведения сравнительных испытаний по оценке адгезионной прочности соединений в учебных целях можно использовать дру­гой, более простой способ. Этот способ заключается в определе­нии скорости отслаивания липкой ленты типа «скотч» (имеющей липкий адгезионный слой) от гибких полимерных субстратов, раз­личной химической природы.

В этом случае можно провести срав­нительную оценку степени адгезионного взаимодействия одинакового во всех случаях липкого слоя ленты с полимерными материа­лами различной химической природы. В этом случае степень такого взаимодей­ствия при прочих равных ус­ловиях зависит только от поверхностных характеристик (поверхностной энергии) полимерных субстратов. При условии изменения поверх­ностных характеристик полимера, например, при его поверхност­ной модификации — метод отслаивания липкой ленты может кос­венно отражать степень достигнутых изменений (уменьшение или увеличение поверхностной энергии).

Если скорость отслаивания липкой ленты возрастает, — значит, поверхностная энергия уменьшилась и, наоборот, уменьшение скорости ее отслаивания будет свидетельствовать об увеличении поверхностной энергии. Поскольку поверхностная энергия напрямую связана с полярно­стью полимера, скорость отслаивания липкой ленты от полимер­ных материалов должна коррелировать с их химической природой.

Адгезионные свойства липких лент зависят, прежде всего, от рецептуры вещества липкого слоя, присутствия в его составе спе­циальных добавок — клейкогенов и других компонентов, усили­вающих прочность их сцепления с различными поверхностями. Адгезив липкого слоя лент во всех случаях представляет собой постоянную полярную композицию, адгезионные характеристики которой обеспечивают достаточную прочность ее сцепления с другими поверхностями. Наоборот разные полимеры обладают раз­личными поверхностными свойствами и прочность сцепления лип­кого слоя будет зависеть от полимерной основы пленок (полипропилена, полиэтилена, лавсана, бумаги и др.), на кото рые будет нанесен липкий слой.

Выполнение работы

Цель работы: к оличественно оценить и сравнить между собой адгезионные свойства различных полимерных материалов.

Оборудование, приборы, материалы для проведения работы:

Оборудование и приборы: штатив для закрепления склеенных с липкой лентой пленочных полимерных образцов, секундомер, грузы массой 100 г, линейка металлическая измерительная длиной 300 мм с ценой деления 1 мм, нож канцелярский «Оffice point», пластина из органического стекла 200x300 мм, толщиной 5 мм.

Материалы: пленочные образцы различных полимеров длиной не менее 200 мм (ПЭ, ПП, ПВХ пластифицированный, полиимид, лавсан, фторопласт-4, фторопласт-26, бумага и др.), липкая лента типа «скотч» толщиной 14-20 мм, спирт этиловый синтетический, рек­тификованный, вата для протирки образцов.

Этапы работы:

1. Подготовка ленточных образцов различных полимерных пленочных материалов для последующего наклеивания на них липкой ленты типа «скотч» (вырезание по размеру, обезжирива­ние).

2. Наклеивание липкой ленты типа «скотч» шириной 14-20 мм на поверхность образцов различных полимерных пленочных мате­риалов.

3. Подготовка образцов к испытанию на расслаивание (обрезка излишков пленки по длине и ширине липкой ленты).

Испытание ленточных образцов на расслаивание под углом 180 градусов в режиме статической нагрузки.

Расчет скорости расслаивания и заполнение итоговой табли­цы.

Анализ экспериментальных данных с учетом сведений о струк­туре и полярности исследуемых полимеров, написание отчета с выводами и рекомендациями.

Ход работы:

1. Разложите выбранные для исследований материалы, шириной не менее чем ширина липкой ленты и длиной не менее 200 мм, на горизонтальную поверхность рабочего стола, застеленного полиэтиленовой или иной пленкой, протрите их с одной сто­роны ватным тампоном, смоченным этиловым спиртом и просу­шите на воздухе в течение 10 минут.

2. Аккуратно наклейте на обезжиренные полимерные образцы липкую ленту, сматывая ее с рулона на длину не менее 200 мм так, чтобы под слоем прозрачной липкой ленты не образовывалось больших воздушных пузырей. Проделать эту операцию следует од­нократно, не отслаивая ленту несколько раз от полимерной пленки.

3. С помощью металлической линейки и канцелярского ножа отрежьте по ширине липкой ленты, выступающие с боков по дли­не, полимерные пленки так, чтобы получились склеенные с липкой лентой ленточные образцы длиной не менее 200 мм.

4. Нанесите на полученные образцы (с помощью шариковой ручки или другим способом) по их центру метки в виде попереч­ных полосок, расположенных на расстоянии 50 и 100 мм, обозна­чив таким образом «рабочий участок».

Расслоив с одного из концов ленточный образец на 30-40 мм закрепите пленочный материал (субстрат) в штативе, а к липкой ленте при­крепите груз массой 100 г так, как это показано на рис. 4. После отпускания груза липкая лента начнет отслаиваться от полимерно­го образца с некоторой скоростью.

Рис. 4. Схема проведения испытаний ленточных образцов на расслаивание при постоянной нагрузке

6. В момент, когда образец расслоится до первой поперечной метки рабочего участка, включите секундомер и зафиксируйте время, в течение которого образец будет расслаиваться на участке 100 мм. Занесите полученные данные в таблицу (см. приложение).

7. Последовательно проведите подобный эксперимент со всеми подготовленными образцами субстрата (подложки) и рассчитайте скорость отслаивания липкой ленты в мм/мин.

8. Проанализируйте полученные экспериментальные данные и найдите корреляцию между скоростью отслаивания липкой ленты, химической природой, полярностью и качеством поверхности полимерных пленочных материа­лов.

Примите во внимание, что полярность полимеров можно оценить таким показателем, как параметр растворимости d. Параметр растворимости d отражает плотность энергии когезии (внутреннего сцепления) вещества d= Ö ПЭК и выражается в (кал/см³)^1/2. Чем выше полярность полимера, тем больше величина параметра растворимости (табл. 4).

Сведите все полученные результаты в таблицу и сделайте выводы о влиянии химической природы, качества поверхности, толщины и других свойств подложки на адгезионную прочность склейки.

Таблица 4. Параметры растворимости некоторых полимеров

Требования к отчету:

1. Заготовку отчета оформить заранее, осветив ней теоретические положения и цель работы.