Склеивание металлов и пластмасс - Ковачич Л.
Скачать (прямая ссылка):
10
Электростатическая теория адгезии предполагает наличие двойного электрического слоя, образующегося при контакте двух различных субстратов. Согласно этой теории, соединение является конденсатором, различно заряженные пластины которого притягиваются. Если их разделить, то конденсатор «разряжается», причем должна наблюдаться электронная эмиссия. Однако до снх пор не доказано, что две заряженные поверхности разрушенного соединения идентичны двум электрически нейтральным поверхностям, из которых соединение было первоначально составлено, поскольку заряд возникает после соприкосновения обоих субстратов.
Согласно диффузионной теории адгезии, прочность соединения обусловлена взаимной диффузией полимеров (или других материалов) через границу раздела фаз. При этом на прочность влияют продолжительность диффузии, температура, вязкость, молекулярные массы компонентов и т. д. Однако эту теорию нельзя использовать для расчета прочности соединения по данным о свойствах исходных компонентов; она вообще не объясняет возможность соединения материалов, которые взаимно не диффундируют. В то же время известно, например, что металлы с успехом склеиваются со стеклом.
В соответствии с химической теорией адгезии для получения прочного соединения необходимо, чтобы соединяемые материалы взаимодействовали между собой с образованием химических связей через границу раздела фаз. Хотя такие связи иногда и возникают, но вообще склеивание происходит, в большинстве случаев в условиях, которые делают невозможным возникновение химических связей. Если бы даже такая возможность появилась, нельзя было бы утверждать, что химические реакции протекают только на поверхности материалов, а также сказать, в какой степени такие реакции влияют на прочность соединения.
Реологическая теория адгезии — это теория, согласно которой, чем бы ни была вызвана адгезия на границе двух материалов, прочность адгезионного (клеевого) соединения обусловлена основными физико-механическими и реологическими свойствами материалов, которые образуют клеевую систему. При изучении характера разрушения было установлено, что оно никогда не происходит по границе раздела фаз, а является когезионным [89]. Однако эта теория не отвечает на главный вопрос: в результате чего возникает соединение и как различные силы (ван-дер-ваальсовы, лондоновские и др.) влияют на его прочность.
1.1. СИЛЫ, ОБУСЛОВЛИВАЮЩИЕ АДГЕЗИЮ
Следует различать силы, вызывающие адгезию, и прочность соединения. Для того чтобы вникнуть в сущность склеивания, необходимо достаточно хорошо представлять себе действие
11
Рис. 1.1. Кривые Леиарда‘—Джонса.
межмолекулярных сил, которые влияют на адгезию и когезию. Однако прочность клеевого соединения зависит не только от этих сил, но и от остаточных напряжений, возникающих при отверждении, температуры, размеров, числа и расположения воздушных включений, трещин или других дефектов и др. Прочность соединения существенно зависит от технологии склеивания, поскольку именно в процессе склеивания могут возникнуть слабые участки клеевого слоя; они способствуют образованию дефектного соединения, прочность которого значительно
ниже теоретической. Разрушение такого соединения, как пра-
вило, происходит на границе между клеем и субстратом. Такое разрушение ранее часто называли адгезионным, поскольку считали, что оно обусловлено слабой адгезией. По нашему мнению, именно потому, что адгезия невелика, нельзя говорить об адгезионном разрушении.
Из элементарной физики известно соотношение между энергией U, силой F и расстоянием I, которое выражается уравнением
F = dU/dl (1.1)
Это соотношение можно изобразить кривой Ленарда — Джонса, которая является типичной кривой зависимости энергии от расстояния (рис. 1.1); при этом
"=-4 (?--?) t1-2)
где А — константа; г0 — равновесное межмолекулярное расстояние.
Если г = г0, то
С/0 = Л/2л0« (1.3)
Сила, которая действует в системе, определяется соотношением
_ dU „ / 1 лпв \
dr =6л(тг — 713-) (1.4)
Максимальную величину Fm мы получим как вторую производную отношения (1.4) для точки перегиба на кривой, из которой рассчитаем
^го = 'о( 13/7)i/«= 1,1087 (1.5)
После подстановки в уравнение (1.4) получим:
Fm = 1 >345(Л/г07) (1.6) Fm = 2,690(U0/л0) (1.7)
12
ПО данным других авторов [3]
Fm = l,46(t//r) (1.8) Fm = l,&\(U/r) (1.9)
По ^тим соотношениям можно судить о теоретической прочности, определяемой энергией системы. Правда, эту энергию точно определить очень трудно, потому что неизвестно, какой вклад вносят различные химические связи и межмолекулярные силы, энергии (кДж/моль) которых приведены ниже:
Химические связи
ионные.......................................... 580—1050
ковалентные ....................................60—710
металлические .... ..................110—350
Межмолекулярные связи
водородные...................................... До 50
диполь-дипольные................................ До 20
дисперсионные...................................До 41,8
индуцированные дипольные........................t До 2
Кроме перечисленных проявляются еще и силы Ван-дер-Ва-альса (8—16 кДж/моль). Важны также поверхностное натяжение на границе раздела фаз, такие процессы, как адсорбция, абсорбция и т. п. Часто они оказывают отрицательное воздействие, вызывая возникновение слабых соединительных слоев, например в результате сорбции влаги, жира, газа и т. п. на поверхности материала, который надо склеить [12, 15, 32].
