Повышенная адгезия что. Адгезивные системы и адгезия в стоматологии

29.10.2019

Благодаря развитию новых технологий в стоматологии, сегодня мы получили возможность восстанавливать целостность и функциональность поврежденных и разрушенных зубов быстро, качественно и на долгий срок. Адгезивные системы обеспечивают уверенную фиксацию пломб и искусственных протезных конструкций.

В этой статье рассмотрим, что же собой представляет адгезия в стоматологии, и как она работает на службе красивой и здоровой улыбки.

Адгезия – что это такое

Вообще, слово «адгезив» в переводе с английского языка означает «клеящее вещество, прилипание». Этот «клей» используется в стоматологии с тем, чтобы соединять разные по составу материалы с тканью зуба (не путать адгезию и когезию – это физический термин).

Сам по себе пломбировочный материал не обладает химической адгезией, то есть способностью прилипать к влажному по своей природе дентину, так что здесь необходим «посредник», который позаботится о надежном сцеплении двух разнородных тканей. Во время полимеризации композитный материал дает усадку, так что если не использовать адгезивные системы, нужного качества сцепления добиться не удастся. А это прямая дорога к развитию повторного кариеса или даже под пломбой.

«Меня с детских лет беспокоила моя диастема, . Лет 5 назад я услышала, что существует такая методика, как адгезивная реконструкция зубов, при которой никакая болезненная обточка не нужна и материал буквально «прилипает» к зубам. Доктор просто шлифанул эмаль передних зубов и послойно закрыл непривлекательную щербинку композитом. Эмаль осталась целой, а улыбка сделалась открытой».

Елена Сальникова, отзыв на сайте одной из московских стоматологий

Инновационные светоотверждаемые адгезивные системы используются при пломбировке зубов композитами, при фиксации мостов, а также для установки брекетов, виниров, скайсов.

Классификация адгезивных систем

По сути своей состав адгезивной системы представлен группой жидкостей из протравливающего компонента, бонда, а также праймера. Все вместе они обеспечивают микромеханические связки между искусственными материалами и тканями зуба.

Поскольку структура эмали и дентина неоднородны, то и адгезивные системы для них используются тоже разные. В классификации адгезивных систем выделяют варианты отдельно для эмали и отдельно для дентина.

Современные адгезивные системы различаются по следующим характеристикам:

число компонентов, которые входят в их состав (1, 2 и больше),
содержание наполнителя: если присутствует кислота, то это самопротравливающая адгезивная система,
способ отверждения: самостоятельно отверждаемые, с использованием света, а также двойного отверждения.

Так, в составе эмалевых адгезивов – низковязкие мономеры композиционных материалов. Важный момент состоит в том, что эмалевые адгезивы не работают в отношении дентина. Потому важно или ставить изолирующие прокладки для твердой части зуба, или применять специальный дентинный адгезив – праймер.

Какие есть типы адгезии

Существует несколько видов адгезии: механическая, химическая, а также их комбинации. Самым простым является механический. Суть действия системы сводится к созданию микромеханических связок между компонентами материала и шероховатой поверхностью зуба. Чтобы обеспечить высокое качество сцепления, перед нанесением адгезива естественные микроуглубления на поверхности зубных тканей тщательно высушивают.

Интересно! Доктор Буонкоре 63 года назад опытным путем выяснил, что фосфорная кислота делает зубную эмаль шероховатой. Это помогает усилению сцепления композита с тканями зуба. Появившаяся более полувека назад методика протравки зубной эмали кислотой стала фундаментом для современных адгезивных реставрационных методов.

Химический вариант сцепления основан на химической связи композитного материала с эмалью и дентином. Таким типом адгезии обладают исключительно стеклоиномерные цементы. Прочие материалы, что используют стоматологи, имеют только механическую адгезию.

Как «прилипает» композит к поверхности эмали

Как уже отмечалось выше, что в стоматологии механизмы адгезии с эмалью и дентином разнятся. Защитная внешняя оболочка зубов преобразуется под влиянием кислот. Если рассматривать эмаль после травления кислотой под микроскопом, то она будет напоминать собой пчелиные соты. Кислота в данном случае работает на усиление связки с композитом. В результате вязкие гидрофобные адгезивы легче проникают в более глубокие слои эмали и обеспечивают ее прочное сцепление с композитом.

Интересно! Эмаль считается наиболее твердой тканью в нашем организме. Она содержит в себе самое большое количество неорганических веществ – примерно 97%. Оставшиеся 2% – это вода, 1% – органика.

Как травят эмаль

Данный способ обработки подразумевает удаление с эмали части слоя в 10 микроньютонов (мкН). В результате на ее поверхности появляются поры глубиной в 5 – 50 мкН. Нередко для протравки эмаль смазывают ортофосфорной кислотой, а вот для дентина можно использовать органические кислоты, но в слабой концентрации.

Процесс травления длится от 30 до 60 секунд. Решающее значение имеют индивидуальные особенности строения эмалевой поверхности, в частности ее изначальная пористость. Если передержать кислоту, это неизбежно скажется на структуре эмали и ослабит сцепление. Так что если зубные ткани у пациента довольно слабые, то протравка должна длиться не дольше 15 секунд. Кислота удаляется струей воды, причем столько же по времени, сколько ее держат на эмали.

Как «прилипает» композит к поверхности дентина

Свойства дентина таковы, что его наружный слой – влажный. Жидкость в этой части зуба обновляется быстро, так что высушить ее очень сложно. И чтобы влага не сказалась на качестве сцепления дентина с композитом, используются особые водосовместимые (по-научному – гидрофильные) системы. Также на прочность связей непосредственное влияние оказывает так называемый «смазанный слой», который возникает как следствие инструментальной обработки дентина. Существует 2 подхода к использованию механизмов связывания:

смазанный слой пропитывают водосовместимыми веществами,
смазанный слой искусственно растворяют и счищают.

Стоит заметить, что последний метод, предполагающий удаление лишних микрочастиц с поверхности эмали, сегодня применяется значительно чаще, чем первый.

Как травят дентин

Японский стоматолог Фузаяма 39 лет назад первым в истории применил методику протравливания дентина. Сегодня перед процедурой на ткани зубов наносят специальные кондиционеры – они помогают гидрофильным веществам глубже проникать в дентинные ткани и сцепляться с водоотталкивающим композитом. Смазанный слой при этом отчасти уходит, происходит раскрытие дентинных канальцев, а из верхнего слоя выходят минеральные соли. После этого кондиционеры смываются водой. Следом идет этап сушки, и с этим главное не переусердствовать, иначе это скажется на сцеплении.

Далее наносится праймер, который помогает гидрофильным веществам пройти в канальцы и сцепиться с коллагеновыми волокнами. В итоге образуется своего рода гибридный слой, который способствует эффективному скреплению композита с дентином. Он также служит барьером от просачивания химии и микробов во внутренние структуры зуба.

Адгезивные системы для эмали

Если речь идет об эмали, то адгезия здесь обеспечивается на основе микромеханической сцепки. Для этого используются гидрофобные жидкости, однако необходимого «прилипания» к влажному дентину они не дадут, поэтому также используется праймер. Обращение с эмалевыми адгезивами, имеющими однокомпонентный состав, строится на следующих этапах:

протравка эмали ортофосфорной кислотой – примерно полминуты,
удаление водяной струей травильного геля,
сушка эмали,
соединение в одинаковой пропорции веществ адгезивной системы,
введение аппликатором в полость зуба адгезива,
разравнивание его воздушной струей.

Только после выполнения всех выше перечисленных манипуляций врач осуществляет введение композитного материала.

Адгезивные системы разных поколений в клинической стоматологии

К настоящему моменту известно 7 поколений адгезивных систем. Сегодня в ходу у стоматологов системы, начиная с 4-го поколения, которые помогают нам сохранять зубы целыми и здоровыми на протяжении всей жизни. Они содержат 3 компонента: кондиционер + праймер + адгезив. А вот инновационные 6 и 7 поколения с одноэтапными препаратами, увы, еще не приобрели повсеместного распространения.

Интересно, что многие эксперты говорят о первостепенной роли эмалевой адгезии, а вот дентинная идет во вторую очередь. Проведенные лабораторные исследования также указывают на то, что сегодня максимальную эффективность демонстрирует спиртовой протокол адгезии. Этанол помогает устранить боль и чувствительность после проведенной процедуры. К тому же при использовании этого вида протокола адгезии происходит меньшая утечка дентинной жидкости. Впрочем, в каждой индивидуальной ситуации врач решает сам, какому протоколу и какой адгезивной системе отдать предпочтение в имеющихся клинических условиях .

1 Протоколы использования адгезивов Попова А.О., Игнатова В.А. – студентки 4 курса стоматологического факультета.

Адгезия, что это такое? И для чего она важна? Давайте попробуем разобраться в нашей статье.

Термин адгезия в переводе с латинского означает «прилипание» и характеризует свойство сцепления поверхностей твердых или жидких тел. Довольно часто характеристики строительных составов, используемых для штукатурных и лакокрасочных работ, оцениваются адгезионными свойствами.

Склеивание тел обеспечивает клеющее вещество – адгезив, представляющее собой полимерную систему. Однако полимер может образоваться в результате химических реакций между склеиваемыми поверхностями после нанесения адгезива. Неполимерные адгезивы представляют органические вещества, к которым относят цементы и припои.

Вещество, на который наносят адгезив, называется субстратом. Глубина проникновения зависит от вида и параметров адгезива, который после отвердения снять без разрушения невозможно. Адгезия – прилипание только верхних слоев материалов. Если процесс проникает во внутрь тел, то происходит когезия.

Для чего важна

В строительстве адгезия гарантирует качество и надежность почти во всех видах работ. Это свойство особенно важно для:

лакокрасочных материалов, поскольку обеспечивает их сцепление и удержание;
гипсовых и цементно песчаных смесей, качество отделки которыми обеспечивает эстетичность помещений.

Важно знать: только что нанесенный цементный раствор бетона плохо прилипает к старому. Работая со старым бетоном, необходимо применять адгезионные многослойные составы.

Металлургическое производство нуждается в агнезии специальных антикоррозийных составов и смесей. И, кроме того, требуются плохие адгезийные свойства с водой.

В медицине, например, в стоматологии необходима адгезия пломбируемого материала и зуба, чтобы обеспечить его качественную защиту и герметизацию.

Кратко о видах

По взаимодействию с поверхностями различают три адгезии:

физическую;
химическую;
механическую.

Суть физической агнезии в электромагнитном взаимодействии соприкасаемых поверхностей на молекулярном уровне. Всем известно притягивание магнитом частиц, заряженных статическим электричеством.

Химическая связь взаимодействие адгезива с субстратом на атомном уровне с участием катализатора. Она отличается от физической возможностью сцепления поверхностей материалов разной плотности.

Механическая – проникновение адгезива в верхний слой соприкасаемой поверхности с последующим сцеплением. Такой процесс происходит, например, при окрашивании или лакокрасочном покрытии различных материалов.

Обратите внимание: улучшают агнезию мерами, которые обеспечивают сцепляемость: шпаклеванием, грунтовкой, обезжириванием субстрата, шлифованием.

Кроме того, исключают условия, ухудшающие агнезию. К ним относится наличие пыли, смазки или веществ, которые уменьшают пористость поверхности.

Об измерении адгезионной способности материалов

Основной принцип измерения адгезии – определение внешнего усилия, под воздействием которого разрушается адгезийная связь: равномерно, неравномерно или со сдвигом. Под виды разрушения разработаны методы испытаний.

Тестовые испытания проводят прибором адгезиметром по методикам международного и государственного уровня, разработанных для каждого способа разрушения.

Измерение адгезии лакокрасочного покрытия проводится согласно международному стандарту ISO 2409 «Метод решетчатых надрезов» прибором Адгезиметр РН.

В отечественном ГОСТе 15140-78 установлены методы определения адгезии при лакокрасочном покрытии металлических поверхностей. Нормативный документ дает определение сущности каждого метода, перечень аппаратуры для испытаний, описывает подготовку и проведение испытаний.

Значения адгезионных показателей покрытий необходимы для определения трудоемкости работы, обеспечения заданной прочности и надежности. Особенно они важны в строительстве, где часто встречаются контактирующие материалы, разнородные как по химическому составу, так и по условию образования.

Адгезиметры для определения внешнего усилия разными способами представлены в приборостроительном каталоге в разделе Приборы и оборудование контроля качества защитных покрытий.

Что такое адгезия или сцепление материалов, смотрите пояснения в следующем видео:

Определение понятия адгезии. Классификация адгезионных соединений в стоматологии. Механизмы образования адгезионных соединений. Условия образования и характер разрушения адгезионных соединений.

Адгезия - это явление, возникающее при соединении разнородных материалов, приведенных в близкий контакт, для разделения которых следует приложить усилие. Когда два материала приведены в такой близкий контакт друг с другом, при котором могут взаимодействовать их поверхностные мономолекулярные слои, молекулы одного вещества определенным образом взаимодействуют с молекулами другого, испытывая взаимное притяжение. Силы этого притяжения называются силами адгезии или адгезионными силами. В отличие от когезионных сил (сил когезии), которые обусловливают взаимное притяжение молекул одного и того же вещества в его объеме.

Материал или слой, который наносят, чтобы получить адгезионное соединение, называют адгезивом. Материал, на который наносят адгезив, называется субстратом.

Адгезия встречается во многих случаях применения восстановительных материалов в стоматологии. Например, при соединении пломбы со стенками полости зуба, герметика и лака с зубной эмалью. При фиксации несъемных зубных протезов цементами. В ортодонтии на принципах адгезии крепятся брекеты к поверхности зубов. Адгезия присутствует и в комбинированных протезах, в которых стремятся придать восстановлению эстетические и функциональные свойства, а именно при использовании фарфора и металла в металлокерамических протезах, пластмассы и металла - в металлопластмассовых.

На схеме 3.1 представлена классификация адгезионных соединений, используемых в стоматологии.

Схема 3.1. Классификация видов адгезионных соединений в стоматологии

Следует подчеркнуть существенное различие между адгезионными соединениями восстановительных материалов с тканями живого организма и соединениями разнородных материалов, которые применяются в зубных протезах.

Различают несколько механизмов образования адгезионного соединения за счет различных типов адгезионных связей (классификация типов адгезионных связей дана на схеме 3.2).

Механическая адгезия заключается в заклинивании адгезива в порах или неровностях поверхности субстрата. Оно может происходить на микроскопическом уровне, как в случае соединения полимера с протравленной эмалью зуба, или на макроуровне, когда пластмассовая облицовка наносится на поверхность металлического каркаса, имеющего специальные захваты. Наглядным примером механической адгезии может служить фиксация несъемных зубных протезов неорганическим цементом, например цинк-фосфатным цементом.

Более прочного и надежного соединения можно достигнуть с помощью химической адгезии. Она основана на химическом взаимодействии двух материалов или фаз, составляющих адгезионное соединение. Такой тип адгезии присущ водным цементам на полиакриловой

Схема 3.2. Типы адгезионных связей*

кислоте, в которой присутствуют функциональные группы, способные образовывать химическое соединение с твердыми тканями зуба, прежде всего с кальцием гидроксилапатита.

Диффузионное соединение образуется в результате проникновения структурной фазы или компонентов одного материала в поверхность другого с образованием «гибридного» слоя, в котором содержатся обе фазы.

На практике трудно найти случай адгезионного соединения, в котором в чистом виде был бы представлен какой-либо из перечисленных механизмов адгезии. В большинстве случаев при использовании материалов различной химической природы для восстановления зубов имеет место адгезионное взаимодействие и механического, и диффузионного, и химического характера.

Условия создания прочного адгезионного соединения:

1. Чистота поверхности, на которую наносят адгезив. На поверхности субстрата не должно быть пыли, посторонних частиц, адсорбированных монослоев влаги и других загрязнений.

2. Пенетрация (проникновение) жидкого адгезива в поверхность субстрата. Пенетрация зависит от способности адгезива смачивать поверхность субстрата.

Смачивание характеризует способность капли жидкости растекаться на твердой поверхности. Мерой смачивания является контактный угол смачивания (Θ), который образуется между поверхностями жидкого и твердого тел на границе их раздела (рис. 3.1).

* На основе классификации WJ. O"Brien «Dental Materials and Their Selection», Quintessence Publ. Co., Inc, 3 изд., с. 66.

Рис. 3.1. Контактный угол смачивания

При полном смачивании контактный угол равен 0°. Малые значения контактного угла характеризуют хорошее смачивание. При плохом смачивании контактный угол больше 90°. Хорошее смачивание способствует капиллярному проникновению и говорит о сильном взаимном притяжении молекул на поверхностях жидкого адгезива и твердого тела-субстрата.

Образование сильных химических связей на поверхности раздела существенно увеличит количество мест прикрепления одного материала к другому. Предполагается, что именно так происходит между фарфоровой облицовкой и оксидом олова, нанесенным на поверхности сплавов с большим содержанием благородных металлов.

3. Минимальная усадка и минимальные внутренние напряжения при твердении (отверждении) адгезива на поверхности субстрата.

4. Минимально возможные термические напряжения. Если адгезив и субстрат имеют различные коэффициенты термического расширения, то при нагревании этого соединения клеевой шов будет испытывать напряжение. Например, на металлический каркас нанесена фарфоровая облицовка в процессе обжига фарфора при высокой температуре, а затем металлокерамический протез охладили до комнатной температуры. Если для этой пары подобраны материалы с близкими коэффициентами термического расширения, то возникающие при этом напряжения в слое фарфора будут минимальными.

5. Возможное влияние коррозионной среды. Присутствие воды, способствующих коррозии жидкостей или паров часто приводит к ухудшению адгезионной связи. Среда полости рта с ее высокой влажностью, присутствием слюны, пищевых продуктов, изменчивым рН, непостоянной температурой и наличием микрофлоры признана агрессивной. Это оказывает значительное влияние на надежность и долговечность адгезионных соединений восстановительных материалов в полости рта.

Об адгезии обычно судят по величине адгезионной прочности, т.е. по сопротивлению разрушению адгезионного соединения. Как следует из определения адгезии, достаточно измерить приложенное усилие для разделения составляющих адгезионную пару материалов, чтобы определить прочность данного соединения. Однако не так просто достигнуть того, чтобы измеренное усилие разделения склеенной пары численно соответствовало именно адгезионной прочности. Поэтому так много методов предложено для измерения различных адгезионных соединений, применяющихся в стоматологии. При всем многообразии вариантов в них присутствуют только три механизма разрушения: при растяжении, сдвиге и неравномерном отрыве.

При испытании адгезионного соединения обязательно обращают внимание на характер разрушения. Различают адгезионное (адгезионный отрыв) и когезионное разрушение. Очевидно, что поверхность разрушения проходит по наиболее слабому звену соединения.

Адгезия - это связь между приведенными в контакт разнородными поверхностями. Причины возникновения адгезионной связи - действие межмолекулярных сил или сил химического взаимодействия. Адгезия обусловливает склеивание твердых тел - субстратов - с помощью клеющего вещества - адгезива , а также связь защитного или декоративного лакокрасочного покрытия с основой. Адгезия играет также важную роль в процессе сухого трения. В случае одинаковой природы соприкасающихся поверхностей следует говорить об ауто гезии (автогезии), которая лежит в основе многих процессов переработки полимерных материалов. При длительном соприкосновении одинаковых поверхностей и установлении в зоне контакта структуры, характерной для любой точки в объеме тела, прочность аутогезионного соединения приближается к когезионной прочности материала (см. когезия ).

На межфазной поверхности двух жидкостей или жидкости и твердого тела адгезия может достигать предельно высокого значения, так как контакт между поверхностями в этом случае полный. Адгезия двух твердых тел из-за неровностей поверхностей и соприкосновения лишь в отдельных точках, как правило, мала. Однако высокая адгезия может быть достигнута и в этом случае, если поверхностные слои контактирующих тел находятся в пластическом или высокоэластичном состоянии и прижаты друг к другу с достаточной силой.

Адгезия жидкости к жидкости или жидкости к твердому телу

С точки зрения термодинамики причина адгезии - уменьшение свободной энергии на единице поверхности адгезионного шва в изотермически обратимом процессе. Работа обратимого адгезионного отрыва W a определяется из уравнения :

W a = σ 1 + σ 2 – σ 12

где σ 1 и σ 2 – поверхностное натяжение на границе фаз соответственно 1 и 2 с окружающей средой (воздухом), а σ 12 - поверхностное натяжение на границе фаз 1 и 2 , между которыми имеет место адгезия.

Значение адгезии двух несмешивающихся жидкостей можно найти из уравнения, указанного выше, по легко определяемым значениям σ 1 , σ 2 и σ 12 . Наоборот, адгезия жидкости к поверхности твердого тела , вследствие невозможности непосредственного определения σ 1 твердого тела, может быть рассчитана только косвенным путем по формуле:

W a = σ 2 (1 + cos ϴ)

где σ 2 и ϴ - измеряемые величины соответственно поверхностного натяжения жидкости и равновесного краевого угла смачивания, образуемого жидкостью с поверхностью твердого тела. Из-за гистерезиса смачивания, не позволяющего точно определить краевой угол, по этому уравнению обычно получают только весьма приближенные значения. Кроме того, этим уравнением нельзя пользоваться в случае полного смачивания, когда cos ϴ = 1 .

Оба уравнения, приложимые в случае, когда хотя бы одна фаза жидкая, совершенно неприменимы для оценки прочности адгезионной связи между двумя твердыми телами, так как в последнем случае разрушение адгезионного соединения сопровождается различного рода необратимыми явлениями, обусловленными различными причинами: неупругими деформациями адгезива и субстрата , образованием в зоне адгезионного шва двойного электрического слоя, разрывом макромолекул, «вытаскиванием» продиффундировавших концов макромолекул одного полимера из слоя другого и др.

Адгезия полимеров друг к другу и к неполимерным субстратам

Почти все применяемые в практике адгезивы представляют собою полимерные системы или образуют в результате химических превращений, происходящих после нанесения адгезива на склеиваемые поверхности. К неполимерным адгезивам можно отнести только неорганические вещества типа цементов и припоев.

Методы определения адгезии и аутогезии:

Метод одновременного отрыва одной части адгезионного соединения от другой по всей площади контакта;
Метод постепенного расслаивания адгезионного соединения.

При первом способе разрушающая нагрузка может быть приложена в направлении, перпендикулярном плоскости контакта поверхностей (испытание на отрыв) или параллельном ей (испытание на сдвиг). Отношение силы, преодолеваемой при одновременном отрыве по всей площади контакта, к площади называется адгезионным давлением , давлением прилипания или прочностью адгезионной связи (н/м 2 , дин/см 2 , кгс/см 2). Метод отрыва дает наиболее прямую и точную характеристику прочности адгезионного соединения, однако применение его связано с некоторыми экспериментальными затруднениями, в частности с необходимостью строго центрированного приложения нагрузки к испытуемому образцу и обеспечения равномерного распределения напряжений по адгезионному шву.

Отношение сил, преодолеваемых при постепенном расслаивании образца, к ширине образца называется сопротивлением отслаиванию или сопротивлением расслаиванию (н/м, дин/см, гс/см); часто адгезию, определяемую при расслаивании, характеризуют работой, которую необходимо затратить на отделение адгезива от субстрата (дж/м 2 , эрг/см 2) (1 дж/м 2 = 1 н/м, 1 эрг/см 2 = 1 дин/см).

Определение адгезии расслаиванием более целесообразно в случае измерения прочности связи между тонкой гибкой пленкой и твердым субстратом, когда в условиях эксплуатации отслаивание пленки идет, как правило, от краев путем медленного углубления трещины. При адгезии двух жестких твердых тел более показателен метод отрыва, т. к. в этом случае при приложении достаточной силы может произойти практически одновременный отрыв по всей площади контакта.

Адгезиометр

Адгезию и аутогезию при испытании на отрыв, сдвиг и расслаивание можно определять на обычных динамометрах или на специальных . Для обеспечения полноты контакта адгезива и субстрата адгезив применяют в виде расплава, раствора в летучем растворителе или , который при образовании адгезионного соединения полимеризуется. Однако при отверждении, высыхании и полимеризации адгезив, как правило, претерпевает усадку, в результате чего на межфазной поверхности возникают тангенциальные напряжения, ослабляющие адгезионное соединение.

Напряжения эти могут быть в значительной мере устранены:

введением в клей наполнителей, пластификаторов,
в некоторых случаях термообработкой адгезионного соединения.

На определяемую при испытании прочность адгезионной связи существенным образом могут влиять:

размеры и конструкция испытуемого образца (в результате действия т. н. краевого эффекта ),
толщина слоя адгезива,
предыстория адгезионного соединения
и другие факторы.

О значениях прочности адгезии или аутогезии , можно говорить, конечно, лишь в случае, когда разрушение происходит по межфазной границе (адгезия) или в плоскости первоначального контакта (аутогезия). При разрушении образца по адгезиву получаемые значения характеризуют когезионную прочность полимера . Некоторые ученые считают, однако, что возможно только когезионное разрушение адгезионного соединения. Наблюдающийся адгезионный характер разрушения, по их мнению, лишь кажущийся, поскольку визуальное наблюдение или даже наблюдение с помощью оптического микроскопа не позволяет обнаружить на поверхности субстрата остающийся тончайший слой адгезива. Однако в последнее время и теоретически и экспериментально было показа но, что разрушение адгезионного соединения может носить самый разнообразный характер - адгезионный, когезионный, смешанный и микромозаичный.

О способах определения прочности адгезионной связи см. испытания лакокрасочных материалов и по крытий .

Теории адгезии

Механическая адгезия

Согласно этой концепции, адгезия осуществляется в результате затекания клея в поры и трещины поверхности субстрата и последующего отверждения клея ; если поры имеют неправильную форму и особенно если они расширяются от поверхности в глубь субстрата, образуются как бы «заклепки» , связывающие адгезив и субстрат. Естественно, что адгезив должен быть достаточно твердым, чтобы «заклепки» не выскальзывали из пор и щелей, в которые он затекает. Механическая адгезия возможна также в случае субстрата, пронизанного системой сквозных пор. Такое строение характерно, например, для тканей. Наконец, третий случай механической адгезии сводится к тому, что ворсинки, находящиеся на поверхности ткани, после нанесения и отверждения клея оказываются прочно внедренными в адгезив.

Несмотря на то что механическая адгезия в некоторых случаях безусловно играет существенную роль, только ею, по мнению большинства исследователей, нельзя объяснить все случаи склеивания, т. к. хорошо склеиваться могут и совершенно гладкие поверхности, не имеющие пор и трещин.

Молекулярная теория адгезии

Дебройном , адгезия обусловлена действием ван-дер-ваальсовых сил (дисперсионных сил, сил взаимодействия между постоянными или между постоянным и наведенным диполями), взаимодействием - диполь или образованием . Свою теорию адгезии Дебройн обосновал следующими фактами:

Один и тот же адгезив может склеивать различные материалы;
Химическое взаимодействие между адгезивом и субстратом вследствие их обычно инертной природы мало вероятно.

Дебройну принадлежит известное правило: прочные соединения образуются между адгезивом и субстратом, близкими по полярности. В приложении к полимерам молекулярная (или адсорбционная) теория получила развитие в работах Мак-Ларена . Адгезию полимеров по Мак-Ларену, можно разделить на две стадии:

миграция больших молекул из раствора или расплава адгезива к поверхности субстрата в результате броуновского движения; при этом полярные группы или группы, способные образовывать водородную связь, приближаются к соответствующим группа субстрата;
установление адсорбционного равновесия.

При расстоянии между молекулами адгезива и субстрата меньше 0,5 нм начинают действовать ван-дер-ваальсовы силы.

Согласно Мак-Ларену, в аморфном состоянии полимеры обладают большей адгезией, чем в кристаллическом. Чтобы активные участки молекулы адгезива продолжали контактировать с активными местами субстрата при высыхании клеящего раствора, что всегда сопровождается усадкой, адгезив должен иметь достаточно низкую . С другой стороны, он должен проявлять определенную стойкость при растяжении или сдвиге . Поэтому вязкость адгезива не должна быть слишком малой, а степень его полимеризации должна лежать в пределах 50-300 . При меньших степенях полимеризации адгезия невелика вследствие скольжения цепей, а при больших - адгезив слишком твердый и жесткий и адсорбция его молекул субстратом затруднена. Адгезив должен обладать также определенными диэлектрическими свойствами (полярностью), отвечающими таким же свойствам субстрата. Лучшей мерой полярности Мак-Ларен считает величину μ 2 /ε , где μ - дипольный момент молекулы вещества, а ε - диэлектрическая проницаемость.

Таким образом, по Мак-Ларену, адгезия - чисто поверхностный процесс, обусловленный адсорбцией определенных участков молекул адгезива поверхностью субстрата. Правильность своих представлений Мак-Ларен доказывает влиянием на адгезию ряда факторов (темпепатуры, полярности, природы, размера и формы молекул адгезива и др.). Мак-Ларен вывел зависимости, количественно описывающие адгезию. Так, для полимеров, содержащих карбоксильные группы , установлено, что прочность адгезионной связи (А ) зависит от концентрации этих групп:

A = k [ COOH] n

где [СООН] - концентрация карбоксильных групп в полимере; k и n - константы.

Долгое время оставалось неясным, могут ли межмолекулярные силы обеспечить наблюдаемую на опыте адгезию.

Во-первых, было показано, что при отслаивании полимерного адгезива от поверхности субстрата затрачивается работа на несколько порядков выше той, которая требуется для преодоления сил межмолекулярного взаимодействия.
Во-вторых, рядом исследователей была обнаружена зависимость работы адгезии от скорости отслаивания полимерного адгезива, в то время как в случае правильности адсорбционной теории эта работа, казалось бы, не должна зависеть от скорости раздвижения поверхностей, находящихся в контакте.

Однако проведенные в последнее время теоретические расчеты показали, что межмолекулярные силы могут обеспечить наблюдаемую на опыте прочность адгезионного взаимодействия даже в случае неполярных адгезива и субстрата. Несоответствие работы, расходуемой на отслаивание, работе, затрачиваемой против действия адгезионных сил , объясняется тем, что первая включает также работу деформации элементов адгезионного соединения. Наконец, зависимость работы адгезии от скорости расслаивания может быть удовлетворительно истолкована, если на этот случай распространить представления, объясняющие зависимость когезионной прочности материала от скорости деформации влиянием тепловых флуктуации на распад связей и релаксационными явлениями.

Электрическая теория адгезии

Авторами этой теории являются Дерягин и Кротова . Позднее аналогичные взгляды развивали Скиннер с сотрудниками (США). Свою теорию Дерягин и Кротова основывают на явлениях контактной электризации, происходящей при тесном соприкосновении двух диэлектриков или металла и диэлектрика. Основные положения этой теории заключаются в том, что система адгезив-субстрат отождествляется с конденсатором, а двойной электрический слой, возникающий при контакте двух разнородных поверхностей,- с обкладками конденсатора. При отслаивании адгезива от субстрата, или, что то же, раздвижении обкладок конденсатора, возникает разность электрических потенциалов, которая повышается с увеличением зазора между раздвигаемыми поверхностями до определенного предела, когда наступает разряд. Работу адгезии в этом случае можно приравнять к энергии конденсатора и определить по уравению (в системе СГС):

W a = 2πσ 2 h /ε a

где σ - поверхностная плотность электрических зарядов; h - разрядный промежуток (толщина зазора между обкладками); ε a - абсолютная диэлектрическая проницаемость среды.

При медленном раздвижении заряды успевают в значительной мере стечь с обкладок конденсатора. Вследствие этого нейтрализация первоначальных зарядов успевает закончиться при малом разведении поверхностей и на разрушение адгезионного соединения затрачивается небольшая работа. При быстром раздвижении обкладок конденсатора заряды не успевают стечь и их высокая начальная плотность сохраняется вплоть до наступления газового разряда. Это обусловливает большие значения работы адгезии, поскольку действие сил притяжения разноименных электрических зарядов преодолевается на сравнительно больших расстояниях. Различным характером удаления заряда с образующихся при расслаивании поверхностей адгезив-воздух и субстрат-воздух авторы электрической теории и объясняют характерную зависимость работы адгезии от скорости расслаивания.

На возможность электрических явлений при расслаивании адгезионных соединений указывает ряд фактов:

электризация образовавшихся поверхностей;
появление в некоторых случаях расслаивания лавинного электрического разряда, сопровождающегося свечением и треском;
изменение работы адгезии при замене среды, в которой производится расслаивание;
уменьшение работы расслаивания при повышении давления окружающего газа и при его ионизации, что способствует удалению заряда с поверхности.

Наиболее прямым подтверждением явилось открытие явления электронной эмиссии, наблюдавшейся при отрыве пленок полимера от различных поверхностей. Значения работы адгезии, рассчитанные на основании измерения скорости эмитируемых электронов, удовлетворительно совпадали с экспериментальными результатами. Следует, однако, заметить, что электрические явления при разрушении адгезионных соединений проявляются лишь при совершенно сухих образцах и при больших скоростях расслаивания (не менее десятков см/сек).

Электрическая теория адгезии не может быть применена к ряду случаев адгезии полимеров друг к другу.

Она не может удовлетворительно объяснить образование адгезионной связи между полимерами, близкими по своей природе. Действительно, двойной электрический слой может возникать только на границе контакта двух различных полимеров. Следовательно, прочность адгезионного соединения должна падать по мере сближения природы полимеров, приведенных в контакт. На самом деле этого не наблюдается.
Неполярные полимеры, если исходить только из представлений электрической теории, не могут давать прочную связь, т. к. они не способны быть донорами и, следовательно, не могут образовывать двойной электрический слой. Между тем практические результаты опровергают эти рассуждения.
Наполнение каучука сажей, способствуя высокой электрической проводимости саженаполненных смесей, должно было бы делать невозможной адгезию между ними. Однако адгезия этих смесей не только друг к другу, но и к металлам достаточно высока.
Присутствие небольшого количества серы, вводимой для вулканизации в каучуки, не должно изменять адгезии, так как влияние такой прибавки на контактный потенциал незначительно. В действительности же после вулканизации способность к адгезии исчезает .

Диффузионная теория адгезии

Согласно этой теории, предложенной Воюцким для объяснения адгезии полимеров друг к другу, адгезия, как и аутогезия, обусловливается межмолекулярными силами, а диффузия цепных молекул или их сегментов обеспечивает максимально возможное для каждой системы взаимопроникновение макромолекул, что способствует увеличению молекулярного контакта. Отличительной чертой этой теории, особенно пригодной в случае адгезии полимера к полимеру, является то, что она исходит из основных особенностей макромолекул - цепного строения и гибкости . Следует заметить, что способностью к диффузии, как правило, обладают только молекулы адгезива. Однако если адгезив наносят в виде раствора, а полимерный субстрат способен набухать или растворяться в этом растворе, может происходить и заметная диффузия молекул субстрата в адгезив. Оба эти процесса приводят к исчезновению границы между фазами и к образованию спайки, представляющей постепенный переход от одного полимера к другому. Таким образом, адгезия полимеров рассматривается как объемное явление .

Совершенно очевидно также, что диффузия одного полимера в другой представляет собой явление растворения.

Взаиморастворимость полимеров , которая в основном определяется соотношением их полярностей, очень важна для адгезии, что вполне согласуется с известным правилом Дебройна. Однако заметная адгезия может наблюдаться и между несовместимыми, сильно различающимися по полярности полимерами, в результате т. н. локальной диффузии, или локального растворения.

Локальное растворение неполярного полимера в полярном можно объяснить неоднородностью микроструктуры полярного полимера, возникающей в результате того, что полимер, состоящий из цепей с полярными и неполярными участками достаточной протяженности, всегда претерпевает микрорасслаивание, подобное происходящему в смесях сильно различающихся по полярности полимеров. Такое локальное растворение вероятно в случае, когда диффундируют углеводородные цепи, т. к. в полярных полимерах объем неполярных участков обычно больше объема полярных групп. Этим и объясняется то, что неполярные эластомеры обычно проявляют заметную адгезию к полярным высокомолекулярным субстратам, в то время как полярные эластомеры к неполярным субстратам почти не прилипают. В случае неполярных полимеров локальная диффузия может обусловливаться наличием в одном или обоих полимерах надмолекулярных структур, исключающих диффузию в определенных участках межфазной поверхности. Значение рассмотренного процесса локального растворения, или локальной диффузии, для адгезии тем более вероятно, что, по расчетам, достаточно проникновения в субстрат молекул адгезива всего на несколько десятых нм (несколько Å ), чтобы адгезионная прочность возросла во много раз. В последнее время Догадкиным и Кулезневым развивается концепция, согласно которой на межфазной поверхности контакта двух мало- или почти полностью несовместимых полимеров может про исходить диффузия концевых сегментов их молекул (сегментальная диффузия) . Обоснованием этой точки зрения является то, что совместимость полимеров увеличивается с уменьшением их молярной массы. Кроме того, образование прочного адгезионного соединения может определяться не только взаимопереплетением молекулярных цепей в зоне контакта из-за объемной диффузии, но и диффузией молекул одного полимера по поверхности другого. Даже тогда, когда адгезия обусловливается чисто адсорбционными взаимодействиями, адгезионная прочность практически никогда не достигает своего предельного значения, поскольку активные группы молекул адгезива никогда не укладываются точно на активные места субстрата. Однако можно предположить, что с увеличением времени или с повышением температуры контакта укладка молекул будет становиться более совершенной в результате поверхностной диффузии отдельных сегментов макромолекул. Вследствие этого прочность адгезионного соединения будет возрастать. Согласно диффузионной теории прочность адгезионного соединения обусловлена обычными молекулярными силами, которые действуют между взаимопереплетенными макромолекулами.

Иногда адгезия полимеров невозможно объяснить с точки зрения их взаимодиффузии и приходится прибегать к помощи адсорбционных или электрических представлений. Это относится, например, к адгезии совершенно несовместимых полимеров или к адгезии эластомера к полимерному субстрату, представляющему собой сшитый полимер с весьма густой пространственной сеткой. Однако в этих случаях адгезия обычно невелика. Так как диффузионная теория предусматривает возникновение прочного переходного слоя между полимерами, образующими адгезионный шов, она легко объясняет несоответствие работы расслаивания работе, требующейся для преодоления сил, действующих между адгезивом и субстратом. Кроме того, диффузионная теория позволяет объяснить зависимость работы адгезии от скорости расслаивания исходя из тех же положений, на которых основано объяснение изменения прочности образца полимера при изменении скорости его растяжения.

Помимо общих соображений, указывающих на правильность диффузионной теории адгезии, имеются экспериментальные данные, говорящие в ее пользу. К ним относятся:

положительное влияние на адгезию и аутогезию полимеров увеличения длительности и температуры контакта адгезива и субстрата;
возрастание адгезии с уменьшением , полярности и полимеров;
резкое увеличение адгезии при уменьшении содержания в молекуле адгезива коротких боковых ответвлений и др.

Влияние факторов, обусловливающих повышение адгезии или аутогезии полимеров, полностью коррелирует с их влиянием на диффузионную способность макромолекул.

Результаты количественной проверки диффузионной теории адгезии полимеров путем сопоставления экспериментально найденных и теоретически рассчитанных зависимостей работы расслаивания аутогезионного соединения от времени контакта и мол. массы полимеров оказались в хорошем согласии с представлением о диффузионном механизме образования аутогезионной связи. Диффузия макромолекул при контакте двух полимеров была доказана также экспериментально прямыми методами, в частности с помощью электронной микроскопии. Наблюдение за границей контакта между двумя совместимыми полимерами, находящимися в вязкотекучем или высокоэластичном состоянии, показало, что она размывается во времени, и тем в большей степени, чем выше температуpa. Значения скорости диффузии полимеров, рассчитанные по ширине размытой зоны, оказались достаточно высокими и позволяющими объяснить образование адгезионной связи между полимерами.

Все приведенное выше относится к простейшему случаю, когда наличие в полимере надмолекулярных структур практически не проявляется в рассматриваемых процессах и свойствах. В случае полимеров, на поведение которых существование надмолекулярных структур оказывает большое влияние, диффузия может осложняться рядом специфических явлений, например, частичным или полным диффузионным переходом молекул из надмолекулярного образования, расположенного в одном слое, в надмолекулярное образование в другом слое.

Адгезия, обусловленная химическим взаимодействием

Во многих случаях адгезия может быть объяснена не физическим, а химическим взаимодействием между полимерами. При этом точной границ между адгезией, обусловленной физическими силами, и адгезией, являющейся результатом химического взаимодействия, установить нельзя. Есть основание полагать, что химические связи могут возникать между молекулами почти всех полимеров, содержащими активные функциональные группы, между такими молекулами и поверхностями металла, стекла и др., в особенности, если последние покрыты оксидной пленкой или слоем продуктов эрозии. Надо также учитывать, что в молекулах каучуков имеются двойные связи, обусловливающие в определенных условиях их химическую активность.

Рассмотренные теории, основанные на преобладающей роли какого-нибудь одного определенного процесса или явления при образовании или разрушении адгезионной связи, приложимы к различным случаям адгезии или даже к различным сторонам этого явления. Так, молекулярная теория адгезии рассматривает лишь конечный результат образования адгезионной связи и природу сил, действующих между адгезивом и субстратом. Диффузионная теория , наоборот, объясняет лишь кинетику образования адгезионного соединения и справедлива только для адгезии более или менее взаиморастваримых полимеров. В электрической теории главное внимание уделяется рассмотрению процессов разрушения адгезионных соединений. Таким образом, единой теории, объясняющей явления адгезии , нет и, вероятно, не может быть. В различных случаях адгезия обусловливается разными механизмами, зависящими как от природы субстрата и адгезива, так и от условий образования адгезионной связи; многие случаи адгезии могут быть объяснены действием двух или нескольких факторов.

— это связь между приведенными в контакт разнородными поверхностями. Причины возникновения адгезионной связи — действие межмолекулярных сил или сил химического взаимодействия. Адгезия обусловливает склеивание твердых тел — субстратов — с помощью клеющего вещества — адгезива, а также связь защитного или декоративного лакокрасочного покрытия с основой. Адгезия играет также важную роль в процессе сухого трения. В случае одинаковой природы соприкасающихся поверхностей следует говорить об аутогезии (автогезии), которая лежит в основе многих процессов переработки полимерных материалов. При длительном соприкосновении одинаковых поверхностей и установлении в зоне контакта структуры, характерной для любой точки в объеме тела, прочность аутогезионного соединения приближается к когезионной прочности материала (см. когезия).

На межфазной поверхности двух жидкостей или жидкости и твердого тела адгезия может достигать предельно высокого значения, так как контакт между поверхностями в этом случае полный. Адгезия двух твердых тел из-за неровностей поверхностей и соприкосновения лишь в отдельных точках, как правило, мала. Однако высокая адгезия может быть достигнута и в этом случае, если поверхностные слои контактирующих тел находятся в пластическом или высокоэластичном состоянии и прижаты друг к другу с достаточной силой.

Адгезия жидкости

Адгезия жидкости к жидкости или жидкости к твердому телу. С точки зрения термодинамики причина адгезии — уменьшение свободной энергии на единице поверхности адгезионного шва в изотермически обратимом процессе. Работа обратимого адгезионного отрыва Wa определяется из уравнения: >Wa = σ1 + σ2 - σ12

где σ1 и σ2 — поверхностное натяжение на границе фаз соответственно 1 и 2 с окружающей средой (воздухом), а σ12 — поверхностное натяжение на границе фаз 1 и 2, между которыми имеет место адгезия.

Значение адгезии двух несмешивающихся жидкостей можно найти из уравнения, указанного выше, по легко определяемым значениям σ1, σ2 и σ12. Наоборот, адгезия жидкости к поверхности твердого тела, вследствие невозможности непосредственного определения σ1 твердого тела, может быть рассчитана только косвенным путем по формуле: >Wa = σ2 (1 + cos ϴ)

где σ2 и ϴ — измеряемые величины соответственно поверхностного натяжения жидкости и равновесного краевого угла смачивания, образуемого жидкостью с поверхностью твердого тела. Из-за гистерезиса смачивания, не позволяющего точно определить краевой угол, по этому уравнению обычно получают только весьма приближенные значения. Кроме того, этим уравнением нельзя пользоваться в случае полного смачивания, когда cos ϴ = 1.

Оба уравнения, приложимые в случае, когда хотя бы одна фаза жидкая, совершенно неприменимы для оценки прочности адгезионной связи между двумя твердыми телами, так как в последнем случае разрушение адгезионного соединения сопровождается различного рода необратимыми явлениями, обусловленными различными причинами: неупругими деформациями адгезива и субстрата, образованием в зоне адгезионного шва двойного электрического слоя, разрывом макромолекул, «вытаскиванием» продиффундировавших концов макромолекул одного полимера из слоя другого и др.

Почти все применяемые в практике адгезивы представляют собою полимерные системы или образуют полимер в результате химических превращений, происходящих после нанесения адгезива на склеиваемые поверхности. К неполимерным адгезивам можно отнести только неорганические вещества типа цементов и припоев.

Методы определения адгезии

Метод одновременного отрыва одной части адгезионного соединения от другой по всей площади контакта;
Метод постепенного расслаивания адгезионного соединения.

Метод отрыва - адгезия

При первом способе разрушающая нагрузка может быть приложена в направлении, перпендикулярном плоскости контакта поверхностей (испытание на отрыв) или параллельном ей (испытание на сдвиг). Отношение силы, преодолеваемой при одновременном отрыве по всей площади контакта, к площади называется адгезионным давлением, давлением прилипания или прочностью адгезионной связи (н/м2, дин/см2, кгс/см2). Метод отрыва дает наиболее прямую и точную характеристику прочности адгезионного соединения, однако применение его связано с некоторыми экспериментальными затруднениями, в частности с необходимостью строго центрированного приложения нагрузки к испытуемому образцу и обеспечения равномерного распределения напряжений по адгезионному шву.

Отношение сил, преодолеваемых при постепенном расслаивании образца, к ширине образца называется сопротивлением отслаиванию или сопротивлением расслаиванию (н/м, дин/см, гс/см); часто адгезию, определяемую при расслаивании, характеризуют работой, которую необходимо затратить на отделение адгезива от субстрата (дж/м2, эрг/см2) (1 дж/м2 = 1 н/м, 1 эрг/см2 = 1 дин/см).

Метод расслаивания - адгезия

Определение адгезии расслаиванием более целесообразно в случае измерения прочности связи между тонкой гибкой пленкой и твердым субстратом, когда в условиях эксплуатации отслаивание пленки идет, как правило, от краев путем медленного углубления трещины. При адгезии двух жестких твердых тел более показателен метод отрыва, т. к. в этом случае при приложении достаточной силы может произойти практически одновременный отрыв по всей площади контакта.

Методы испытаний адгезии

Адгезию и аутогезию при испытании на отрыв, сдвиг и расслаивание можно определять на обычных динамометрах или на специальных адгезиометрах. Для обеспечения полноты контакта адгезива и субстрата адгезив применяют в виде расплава, раствора в летучем растворителе или мономера, который при образовании адгезионного соединения полимеризуется.

Однако при отверждении, высыхании и полимеризации адгезив, как правило, претерпевает усадку, в результате чего на межфазной поверхности возникают тангенциальные напряжения, ослабляющие адгезионное соединение.

Напряжения эти могут быть в значительной мере устранены введением в клей наполнителей, пластификаторов, а в некоторых случаях термообработкой адгезионного соединения.

На определяемую при испытании прочность адгезионной связи существенным образом могут влиять размеры и конструкция испытуемого образца (в результате действия т. н. краевого эффекта), толщина слоя адгезива, предыстория адгезионного соединения и другие факторы. О значениях прочности адгезии или аутогезии, можно говорить, конечно, лишь в случае, когда разрушение происходит по межфазной границе (адгезия) или в плоскости первоначального контакта (аутогезия). При разрушении образца по адгезиву получаемые значения характеризуют когезионную прочность полимера.

КОГЕЗИЯ (от лат. соhaesus — связанный, сцепленный * а. соhesion; н. Kohasion; ф. соhesion; и. соhesion) — сцепление частиц вещества (молекул, ионов, атомов), составляющих одну фазу. Когезия обусловлена силами межмолекулярного (межатомного) притяжения различной природы

При проведении некоторых видов работ необходимо определять уровень взаимодействия определенных элементов. Важно изначально знать насколько сильно они сцепляются друг с другом, чтобы конструкции была как можно более надежной.

просмотров

Сохранить ВКонтакте