Адгезия

Адге́зия (от лат. adhaesio — «прилипание») в физике — сцепление поверхностей разнородных твёрдых и/или жидких тел^[1]. Адгезия обусловлена межмолекулярными взаимодействиями (Ван-дер-Ваальсовыми, полярными, иногда — взаимной диффузией) в поверхностном слое и характеризуется удельной работой, необходимой для разделения поверхностей. В некоторых случаях адгезия может оказаться сильнее, чем когезия, то есть сцепление внутри однородного материала, в таких случаях при приложении разрывающего усилия происходит когезионный разрыв, то есть разрыв в объёме менее прочного из соприкасающихся материалов.

Когезия вынуждает воду формировать капли, поверхностное натяжение делает их почти сферическими, а адгезия держит их на поверхности другого вещества

Капли росы на лепестках розы как пример адгезии

Определение с меньшей достоверностью и с большей ясностью: адге́зия — это способность «прилипать и удерживаться».

Частным случаем адгезии является аутогезия — связь между однородными конденсированными телами при их молекулярном контакте^[2]. При аутогезии сохраняется граница раздела между телами; этим аутогезия отличается от когезии, относящейся к связи между частицами внутри тела в пределах одной фазы и характеризующей прочность конденсированных тел, то есть их способность противодействовать внешнему усилию^[2].

Адгезия существенно влияет на природу трения соприкасающихся поверхностей: так, при взаимодействии поверхностей с низкой адгезией трение минимально. В качестве примера можно привести политетрафторэтилен (тефлон), который в силу низкой адгезии с большинством материалов обладает низким коэффициентом трения. Некоторые вещества со слоистой кристаллической решёткой (графит, дисульфид молибдена, гексагональный Нитрид бора), характеризующиеся одновременно низкими значениями адгезии и когезии, применяются в качестве твёрдых смазок.

Наиболее известные адгезионные эффекты — капиллярность, смачиваемость/несмачиваемость, поверхностное натяжение, мениск жидкости в узком капилляре, трение покоя двух абсолютно гладких поверхностей. Критерием адгезии в некоторых случаях может быть время отрыва слоя материала определенного размера от другого материала в ламинарном потоке жидкости.

Адгезия имеет место в процессах склеивания, пайки, сварки, нанесения покрытий. Адгезия матрицы и наполнителя композитов (композиционных материалов) является также одним из важнейших факторов, влияющих на их прочность.

В биологии клеточная адгезия — не просто соединение клеток между собой, а такое их соединение, которое приводит к формированию определённых правильных типов гистологических структур, специфичных для данных типов клеток. Специфичность клеточной адгезии определяется наличием на поверхности клеток белков клеточной адгезии — интегринов, кадгеринов и др. Например, адгезия тромбоцитов на базальной мембране и на коллагеновых волокнах повреждённой сосудистой стенки.

В антикоррозионной защите адгезия лакокрасочного материала к поверхности — наиболее важный параметр, влияющий на долговечность покрытия. Адгезия — прилипание лакокрасочного материала (ЛКМ) к окрашиваемой поверхности, одна из основных характеристик промышленных ЛКМ. Адгезия лакокрасочных материалов может иметь механическую, химическую или электромагнитную природу и измеряется силой отрыва лакокрасочного покрытия на единицу площади подложки. Хорошая адгезия лакокрасочного материала к окрашиваемой поверхности может быть обеспечена лишь при тщательной очистке поверхности от грязи, жира, ржавчины и прочих загрязнений. Прочность адгезионного/когезионного отрыва лакокрасочного покрытия от защищаемой поверхности зависит от его толщины, для измерения которой используются толщиномеры мокрого и сухого слоя . Для оценки адгезии/когезии ЛКМ приняты и утверждены критерии^[3].

Теории адгезии

Адгезия представляет собой крайне сложное явление, с чем связано существование множества теорий, трактующих это явление с различных позиций. В настоящее время известны следующие теории адгезии:

• Адсорбционная теория, согласно которой явление осуществляется в результате адсорбции адгезива на порах и трещинах поверхности субстрата.
• Механическая теория рассматривает адгезию как результат проявления сил межмолекулярного взаимодействия между контактирующими молекулами адгезива и субстрата.
• Электрическая теория отождествляет систему «адгезив — субстрат» с конденсатором, а двойной электрический слой, возникающий при контакте двух разнородных поверхностей, — с обкладкой конденсатора.
• Электронная теория рассматривает адгезию как результат молекулярного взаимодействия поверхностей, различных по своей природе.
• Диффузионная теория сводит явление к взаимной или односторонней диффузии молекул адгезива и субстрата.
• Химическая теория объясняет адгезию не физическим, а химическим взаимодействием.

Физическое описание

Адгезия представляет собой обратимую термодинамическую работу сил, направленных на разделение приведённых в контакт двух разнородных (гетерогенных) фаз. Описывается уравнением Дюпре:

${\displaystyle {Wa=\sigma _{13}+\sigma _{12}-\sigma _{23}}}$

Где W_a — обратимая работа адгезии на границе раздела фаз, σ₁₃ — поверхностная энергия на границе твёрдая поверхность-газ (ТГ), σ₁₂ — поверхностная энергия на границе жидкость-газ (ЖГ), σ₂₃ — поверхностная энергия на границе твёрдая поверхность-жидкость (ТЖ).

Работа адгезии связана с энергией Гиббса:

${\displaystyle {Wa=-\Delta G^{o}}}$

Отрицательное значение ΔG° указывает на снижение работы адгезии в результате образования межфазного натяжения.

Изменения энергии Гиббса системы в процессе адгезии:

${\displaystyle {\Delta G_{1}^{o}=\sigma _{13}+\sigma _{12}}}$

${\displaystyle {\Delta G_{2}^{o}=\sigma _{23}}}$

${\displaystyle {\Delta G^{o}=\Delta G_{2}^{o}-\Delta G_{1}^{o}}}$

${\displaystyle {\sigma _{23}-\sigma _{13}-\sigma _{12}=\Delta G^{o}}}$.

Адгезия неразрывно связана со многими поверхностными явлениями, такими как смачивание. Если адгезия обуславливает связь между твёрдым телом и контактирующей с ним жидкостью, то смачивание является результатом подобной связи. Уравнение Дюпре—Юнга показывает отношение между адгезией и смачиванием:

${\displaystyle {Wa=\sigma _{12}(1+\cos \theta )}}$

где σ₁₂ — поверхностное натяжение на границе раздела двух фаз (жидкость-газ), cosθ — краевой угол смачивания, W_a — обратимая работа адгезии.

Прочность адгезионных контактов зависит не только от слабых взаимодействий на границе поверхностей, но и от формы контакта. Контакты сложной формы начинают отрываться с краёв^[4], фронт отрыва затем распространяется к центру контакта вплоть до достижения некоторой критической конфигурации, при которой происходит мгновенная потеря контакта^[5].

См. также

• Клей
• Адсорбция
• Трение
• Адгезиметр
• Трение на наномасштабном уровне

Примечания

1. Гиляров, 1986, с. 11.
2. Зимон А. Д., Коллоидная химия, 2015, с. 47.
3. ISO 16276. Антикоррозионная защита стальных конструкций защитными лакокрасочными системами. Оценка и принятые критерии адгезии/когезии (сила отрыва) покрытия // ISO.org = Corrosion protection of steel structures by protective paint systems — Assessment of, and acceptance criteria for, the adhesion/cohesion (fracture strength) of a coating. — 2007.
4. Valentin L. Popov, Roman Pohrt, Qiang Li. Strength of adhesive contacts: Influence of contact geometry and material gradients (англ.) // Friction. — 2017-09-01. — Vol. 5, iss. 3. — P. 308–325. — ISSN 2223-7704 2223-7690, 2223-7704. — doi:10.1007/s40544-017-0177-3. Архивировано 14 октября 2020 года.
5. Friction Physics. Science friction: Adhesion of complex shapes  (неопр.) (6 декабря 2017). Дата обращения: 30 декабря 2017. Архивировано 7 мая 2021 года.

Литература

• Дерягин Б. В., Кротова Н. А., Смилга В. П. Адгезия твердых тел. — М.: Наука, 1973.
• Фрейдин А. С., Турусов Р. А. Свойства и расчет адгезионных соединений. — М.: Химия, 1990.
• Берлин А. А., Басин В. Е. Основы адгезии полимеров. — М.: Химия, 1974.
• Зимон А. Д. Коллоидная химия: Общий курс. — 6-е изд. — М.: Красанд, 2015. — 342 с. — ISBN 978-5-396-00641-6.
• Тризно М. С., Москалев Е. В. Клеи и склеивание. — Л.: Химия, 1980.
• Белов П. А., Лурье С. А. Теория идеальных адгезионных взаимодействий. Механика композиционных материалов и конструкций, 2007 г., том 13, № 4, стр. 519
• Биологический энциклопедический словарь / Гл. ред. М. С. Гиляров; Редкол.: А. А. Баев, Г. Г. Винберг, Г. А. Заварзин и др. — М. : Сов. энциклопедия, 1986. — 831 с. — 100 000 экз.
• Адге́зия / Шимулис В. И. // А — Ангоб. — М. : Советская энциклопедия, 1969. — С. 219—220. — (Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров ; 1969—1978, т. 1).

Ссылки

• Информация с сайта NEWCHEMISTRY.RU
• Адгезия — статья из Большой советской энциклопедии.