Роль поверхности субстратов в формировании 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, размер, форма, структура поверхности субстрата, микрорельеф, наличие загрязнений.

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 (в полимерах структурными образованиями являются глобулы, ленты, полосы, фибриллы, сферолиты). Обнаружено, что на поверхности полимеров фиксируются те или иные надмолекулярные образования.

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 Смачивание – это процесс самопроизвольного уменьшения свободной энергии системы, состоящей из трех соприкасающихся фаз (рис).

Рис.. 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

Если рассматривать поверхностное натяжение как силу, действующую на единицу длины периметра капли, то условие равновесия сил можно выразить как

, или

.  (здесь Q - краевой угол смачивания, то же, что и )

  Жидкость смачивает твердую поверхность (cos Q > 0), если . Величина краевого угла зависит также от величины . Чем оно меньше, тем больше cos Q и меньше угол Q.

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

тг жг + тж или тг + жг + тж  

где тг – поверхностное натяжение твердого тела; жг – поверхностное натяжение жидкости; тж – 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.

С увеличением площади контакта повышается адгезионная прочность. 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.

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.

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.