W fizyki i mechaniki , przyczepność jest zespół zjawisk fizykochemicznych, które występuje, gdy dwa materiały są umieszczane w bezpośrednim kontakcie , w celu stworzenia mechanicznej wytrzymałości na rozdzielenie. Po nawiązaniu kontaktu energia wymagana do osiągnięcia separacji nazywana jest energią adhezji (energia na jednostkę powierzchni). Nie należy go mylić z adhezją , która jest siłą (na jednostkę powierzchni) niezbędną do osiągnięcia tego samego oddzielenia. Adhezja jest albo bezpośrednia, albo pośredniczona przez materiał pośredni.
Bezpośrednia adhezja między materiałami jest rzadka. Odbywa się to tylko w przypadku bardzo gładkich i niezwykle czystych materiałów (na przykład miki lub krzemu), które udaje nam się włożyć w bliski kontakt, to znaczy w odległościach rzędu wielkości atomowych ( nanometr). Dlatego często jest to niemożliwe, jeśli powierzchnie są chropowate . Bezpośrednie przestrzeganie jest związane przede wszystkim, ale nie wyłącznie, z interakcjami van der Waalsa .
Przykłady adhezji bezpośredniej: adhezja molekularna miki lub krzemu, adhezja jaszczurki gekona , produkcja opon samochodowych.
Zgodnie z pracą JW McBaina (w) i DG Hopkins : każda ciecz zwilża powierzchnię i może w taki czy inny sposób zamienić się w ciało stałe, będzie działać jak klej dla tych powierzchni. Na przykład złącza szelakowe między metalowymi powierzchniami mają wytrzymałość na rozciąganie ponad 2 tony na cal kwadratowy. Model szacuje, że „źródło adhezji wynika z fizycznego zakotwiczenia polimeru osadzonego podczas procesu zakotwiczania powierzchni podłoża”. Powoduje to blokadę mechaniczną między dwiema powierzchniami. Dlatego ten mechanizm ma zastosowanie tylko wtedy, gdy dwa materiały są w bliskim kontakcie, a powłoka dobrze zwilża powierzchnię podłoża, aby móc penetrować przestrzeń na powierzchni.
Z perspektywy nanoskali trzy podstawowe zjawiska wpływające na przyleganie do skali mikroskopowej to: siła sił van der Waalsa , siła elektrostatyczna i siła kapilarna . Opracowano kilka pomysłów i teorii opisujących wpływ sił adhezji podczas mechanizmów kontaktowych. Najważniejsze z nich to te opracowane przez Johnsona, Kendalla i Robertsa: model JKR . Teoria ta jest szczególnie skuteczna w przypadku silnej przyczepności, elastycznych materiałów, a także przy dużym promieniu krzywizny . Odwrotnie, dla materiałów, które są z natury trudne do odkształcenia, mają niską przyczepność i mały promień krzywizny, najbardziej odpowiednim modelem jest model DMT (Derjaguin, Muller i Toporov).
Pomimo faktu, że teorie te czerpią swoje refleksje z różnych źródeł, wszyscy zgadzają się co do tego, że siła adhezji zależy bezpośrednio od energii Duprégo Δγ i geometrii kontaktu. D. Tabor (en) wprowadził bezwymiarowy parametr µ, aby oddzielić te modele, gdy kula odkształca się elastycznie w kontakcie z płaszczyzną:
μ=(RΔγ2mi'2z0)13{\ displaystyle \ mu = {\ biggl (} {R \ Delta _ {\ gamma} ^ {2} \ ponad E '^ {2} z_ {0}} {\ biggr)} ^ {1 \ ponad 3}} lub :Wynika z tego, że jeżeli:
Zwilżania jest zdolność cieczy do utworzenia interfejsu ze stałą powierzchnią oraz stopień zwilżenia jest wyrażona jako θ kąta zwilżania utworzonego między cieczą a powierzchnią ciała stałego podłoża. Zależy to od powierzchni, napięcia cieczy oraz charakteru i stanu powierzchni podłoża. Im mniejszy kąt zwilżania, tym wyższe napięcie powierzchniowe cieczy i wyższy stopień zwilżenia, to znaczy, jeśli krople są czyste i wolne od zanieczyszczeń, rozprzestrzenią się na całej powierzchni, jak pokazano na rysunku Niżej wymienione.
Kąt zwilżania θ jest funkcją adhezji dyspersji (oddziaływanie między cząsteczkami kleju a cząsteczkami ciała stałego) oraz kohezji ciekłego kleju. Jeśli przyczepność do powierzchni podłoża jest silna, a przyczepność w cieczy słaba, stopień zwilżenia jest wysoki. Odwrotnie, połączenie niskiej adhezji i wysokiej kohezji prowadzi do większej prędkości kąta zwilżania i słabej zwilżalności powierzchni podłoża, co ma miejsce, gdy na powierzchni tworzą się kropelki, a nie „warstwa cieczy”. Mniejszy kąt zwilżania wskazuje na większą przyczepność, ponieważ istnieje większa powierzchnia kontaktu między klejem a podłożem, co skutkuje większą całkowitą energią powierzchniową podłoża i wyższą siłą oddziaływania w cieczy i podłożu.
Teoria elektrostatycznaPrzydatne jest odróżnienie mechanizmu, który przywiera materiał od mechanizmu, który sprzeciwia się separacji. Całkowita siła działająca na oddzielenie generalnie przewyższa całkowitą siłę mocowania.
Jeżeli materiały są wykonane tak, aby były w bliskim kontakcie bez dotykania i oddzielania się od siebie, pewne mechanizmy adhezji (takie jak siły van der Waalsa lub siły elektrostatyczne) będą również wpływać na siły adhezji i separacji. Jeśli dwa materiały są naładowane z powodu braku równowagi elektronów lub jonów, siła elektrostatyczna między dwoma materiałami może działać na odległość kilku centymetrów, która jest znacznie większa niż zasięg jakiegokolwiek innego mechanizmu adhezji, a przyciąganie grawitacyjne można zignorować tutaj. Prawo Coulomba zapewnia matematyczną podstawę do opisu siły elektrostatycznej między obiektami do właściwości materiału i różnych kształtów geometrycznych.
Znaczenie siły elektrostatycznej w stosunku do innych mechanizmów adhezji (takich jak siła van der Waalsa) podczas kontaktu materiałów jest niejasne. Deryagin i jego koledzy z naciskiem podkreślili, że ze względu na wymianę ładunku między cząsteczkami donor-akceptor na granicy faz, dominuje składnik adhezji elektrostatycznej. Przeciwny pogląd jest taki, że wpływ elektryczności statycznej na przyczepność jest raczej wyjątkiem niż ogólną regułą. Argumentem za tym poglądem jest to, że gdy różne kombinacje materiałów są w kontakcie i rozdzielone, wymiana ładunku jest silnie zależna od materiału i warunków powierzchni, podczas gdy stopień adhezji jest słabo zależny od natury materiału.
Adhezja chemiczna wynika z utworzenia wiązania kowalencyjnego między dwiema powierzchniami styku, powstałego podczas reakcji chemicznej. Te kombinacje zapewniają połączenie dwóch materiałów. Jak wspomniano powyżej, adhezja może zachodzić na dwa sposoby: jeden to bezpośrednia reakcja między dwoma stykającymi się ze sobą materiałami (na przykład, gdy na podłożu stosuje się odpowiedni klej) lub poprzez sprzęganie (sytuacja, w której między kleju i podłoża). Drugim rozwiązaniem jest generalnie technika stosowana w celu uzyskania dobrej adhezji pomiędzy osnową epoksydową a włóknami szklanymi wykonanymi z materiałów kompozytowych.
W konsekwencji interfejs może być miejscem reakcji chemicznej, generującej wiązania typu jonowego lub kowalencyjnego. Biorąc pod uwagę znaczenie energii wiązania głównego (~200-400 kJ.mol-1) w porównaniu z adhezją fizyczną (>50 kJ.mol-1), wytrzymałość na rozciąganie elementu musi być bardzo duża. Ze względu na cienkość interfejsu trudno jest zaobserwować te połączenia.
Ze względu na cienkość interfejsu trudno zaobserwować te połączenia. Mechanizm adhezji chemicznej był źródłem wielu prac. Niektóre zostały zgrupowane razem, na przykład:
Adhezja odpowiada również mechanizmom zaangażowanym w spiekanie , na przykład gdy proszek metalowy lub ceramiczny jest ściskany lub podgrzewany, atomy dyfundują z jednej cząstki do drugiej, tworząc ciało stałe. Kiedy atomy z jednej powierzchni penetrują sąsiednią powierzchnię, pozostając związane z ich pierwotną powierzchnią, następuje wiązanie dyfuzyjne. Jest to mechanizm łączenia porcelany i metalu przy produkcji koron dentystycznych .
Teoria dyfuzjiTeoria dyfuzji zaproponowana przez S. Voyuskii wyjaśnia naturalną adhezję (samoadhezyjną) pomiędzy polimerami. Gdy dwa kompatybilne polimery (tj. co najmniej jeden monomer jest rozpuszczalny w innym monomerze) są w bliskim kontakcie, indukowana termicznie ruchliwość cząsteczkowa jest wystarczająca, aby spowodować dyfuzję łańcuchów makrocząsteczkowych, tworząc w ten sposób strefę „interfejsu”. Teoria ta ma zastosowanie tylko do materiałów o wystarczającej ruchliwości i wzajemnej rozpuszczalności. Dokładniej, zgodnie z tą teorią adhezja jest spowodowana wzajemną dyfuzją cząsteczek lub łańcuchów z polimeru.
Zanik powierzchni styku między dwoma materiałami sprzyja mezofazie , która w sposób ciągły zmienia się od właściwości pierwszego materiału do właściwości fizykochemicznych drugiego materiału. Ta przyczepność jest kontrolowana przez zjawisko dyfuzji, które implikuje kompatybilność materiałów. Stworzeniu interfejsu między dwoma podporami zawsze towarzyszy zużycie energii. Ta energia powierzchniowa jest równa powierzchni pomnożonej przez napięcie powierzchniowe .
Gdy dwie części tego samego materiału polimerowego zostaną umieszczone w dobrym kontakcie w temperaturze powyżej ich temperatury zeszklenia , makroskopowa granica między dwiema częściami stopniowo zanika, a wytrzymałość mechaniczna tej granicy wzrasta. Zjawisko to ma duże znaczenie praktyczne, nazywane jest spawaniem tworzyw sztucznych lub gojeniem pęknięć.
W wielu sytuacjach do materiału dodawany jest środek sieciujący : dotyczy to zwłaszcza technologii powlekania lateksem , w której pojedyncze cząstki lateksu dyspersji polimerowej są wylewane na powierzchnię. Cząstki tworzą styki i stopniowo łączą się w ciągłą błonę, której właściwości można znacznie poprawić przez dodanie środka sieciującego. Jednak zastosowanie środka sieciującego stwarza pewną trudność: delikatna równowaga między szybkościami dyfuzji wzajemnej i sieciowania jest niezbędna do uzyskania optymalnej wytrzymałości filmu, ponieważ konkurują ze sobą reakcja i dyfuzja. Wzajemna dyfuzja jest bardzo wrażliwa i spowalnia wraz z postępem reakcji sieciowania, a łańcuchy stają się większe i bardziej rozgałęzione. Tak więc, jeśli szybkość reakcji jest zbyt duża, cząstki mieszają się tylko częściowo, co niekorzystnie wpływa na wytrzymałość folii.
Adhezja z materiałem pośrednim jest znacznie częstsza niż adhezja bezpośrednia: cienki materiał zapewnia mechaniczne wiązanie między dwoma przylegającymi materiałami. Materiał pośredni umożliwia w szczególności przezwyciężenie szkodliwego wpływu chropowatości na przyczepność .
Obecność niewielkiej ilości płynu między dwoma ciałami pozwala na słabą adhezję, zwaną adhezją kapilarną . Zasada adhezji kapilarnej polega na tym, że ciśnienie w cieczy jest niższe niż ciśnienie atmosferyczne: równowaga sił odpowiada wówczas przyciąganiu. Adhezja kapilarna jest odporna na separację, ale nie na poślizg, a jej siła zależy od lepkości cieczy.
Przykłady: spoistość ziaren piasku , adhezja niektórych owadów ( mrówka , pająk , stonka ziemniaczana ).
Najpopularniejszą sztuczną strategią łączenia dwóch materiałów za pomocą ich powierzchni jest użycie kleju lub spoiwa . Kleje charakteryzują się tym, że twardnieją po nałożeniu, natomiast kleje są miękkimi materiałami stałymi i nie zmieniają się po nałożeniu. W obu przypadkach jest to materiał pośredni, który zapewnia bliski kontakt z powierzchnią każdego z dwóch materiałów, do których pożądane jest przyleganie pomimo ich chropowatości powierzchni. W tym celu kleje są płynne, podczas gdy kleje odkształcają się.
Główną zaletą przyczepności jest generowanie odporności na pękanie. Całe pytanie polega zatem na tym, za pomocą jakich mechanizmów iz jaką skutecznością połączenie klejowe jest odporne na pękanie, niezależnie od rodzaju naprężenia, któremu podlega.
Obszar, który jest źródłem adhezji, jest na ogół znacznie cieńszy niż dwa obiekty, które przylegają. Widziane z daleka zjawisko rozdzielania się tych dwóch obiektów jawi się zatem jako pęknięcie i badane odpowiednimi narzędziami, które stanowią samodzielną dziedzinę: mechanika pękania . W szczególności kryterium rozdzielenia dwóch obiektów uwzględnia nie tylko przyłożone naprężenia , ale także energię rozpraszaną podczas propagacji separacji. Ilustracją znaczenia energii jest upadek kabla w kopalni .
Wytrzymałość przyczepności na rozciąganie między dwoma przedmiotami wynika z dwóch składników, z których oba są niezbędne dla dobrej przyczepności. Te dwa elementy to:
Pęknięcie pomiędzy dwoma materiałami sklejonymi w sposób pośredni może rozprzestrzeniać się na dwa sposoby: albo wewnątrz spoiny (klej lub klej) (jest to wtedy pęknięcie kohezyjne ), albo na powierzchni (pęknięcie kleju). Jeśli chodzi o adhezję bezpośrednią, pęknięcie jest z konieczności adhezyjne.
Zniszczenie kohezyjne wskazuje, że interfejs zachowywał się mocniej niż rdzeń materiału klejącego lub kleju. Odwrotnie, w przypadku uszkodzenia kleju, interfejs był mniej odporny.
Schemat pęknięcia kohezyjnego (w kleju)
Schemat pęknięcia kleju (na styku)
Skuteczność adhezji mierzy się zwykle bardziej energią rozpraszaną podczas separacji niż dokładnym sposobem zerwania (adhezyjny lub kohezyjny). Często jednak maksymalna rozpraszana energia znajduje się w reżimie kohezyjnym (dla którego w materiale rozwijają się mechanizmy dyssypacji), w bezpośrednim sąsiedztwie reżimu adhezyjnego. Ogólnie rzecz biorąc, w reżimie adhezyjnym rozpraszanie na granicy faz jest stosunkowo niższe, a odkształcenia w materiale są umiarkowane i nie uruchamiają skutecznych mechanizmów rozpraszania.
Można wyróżnić pewną liczbę klasycznych testów, które umożliwiają sztuczne propagowanie pęknięcia materiału w celu pomiaru jego wytrzymałości.
Przykłady testów przyczepności: