Изучаем адгезионные свойства материалов: адгезия – что это такое и как она отражается на краске и бетоне. Значение слова адгезия Отличная адгезия

Понятие когезии и адгезии. Смачивание и растекание. Работа адгезии и когезии. Уравнение Дюпре. Краевой угол смачивания. Закон Юнга. Гидрофобные и гидрофильные поверхности

В гетерогенных системах различают межмолекулярное взаимодействие внутри фаз и между ними.

Когезия - притяжение атомов и молекул внутри отдельной фазы . Она определяет существование вещества в конденсированном состоянии и может быть обусловлена межмолекулярными и межатомными силами. Понятие адгезии , смачивания и растекания относятся к межфазным взаимодействиям.

Адгезия обеспечивает между двумя телами соединение определенной прочности благодаря физическим и химическим межмолекулярными силами. Рассмотрим характеристики когезионного процесса. Работа когезии определяется затратой энергии на обратимый процесс разрыва тела по сечению равной единице площади: W k =2  , где W k - работа когезии; - поверхностное натяжение

Так как при разрыве образуется поверхность в две параллельные площади, то в уравнении появляется коэффициент 2. Когезия отражает межмолекулярное взаимодействие внутри гомогенной фазы, то ее можно охарактеризовать такими параметрами как энергия кристаллической решетки, внутреннее давление, летучесть, температура кипения, адгезия результат стремления системы к уменьшению поверхностной энергии. Работа адгезии характеризуется работой обратимого разрыва адгезионной связи, отнесенной к единице площади. Она измеряется в тех же единицах, что и поверхностное натяжение. Полная работа адгезии, приходящаяся на всю площадь контакта тел: W s = W a S

Таким образом, адгезия - работа по разрыву адсорбционных сил с образованием новой поверхности в 1м 2 .

Чтобы получить соотношение между работой адгезии и поверхностным натяжением взаимодействующих компонентов, представим себе две конденсированные фазы 2 и 3, имеющие поверхность на границе с воздухом 1, равную единице площади (рис. 2.4.1.1).

Будем считать, что фазы взаимно нерастворимы. При совмещении этих поверхностей, т.е. при нанесении одного вещества на другое происходит явление адгезии, т.к. система стала двухфазной, то появляется межфазное натяжение  23 . В результате первоначальная энергия Гиббса системы снижается на величину, равную работе адгезии:

G + W a =0, W a = - G .

Изменение энергии Гиббса системы в процессе адгезии:

G нач. =  31 +  21 ;

G кон =  23 ;

;

- уравнение Дюпре.

Оно отражает закон сохранения энергии при адгезии. Из него следует, что работа адгезии тем больше, чем больше поверхностные натяжения исходных компонентов и чем меньше конечное межфазное натяжение.

Межфазное натяжение станет равно 0, когда исчезнет межфазная поверхность, что происходит при полном растворении фаз

Учитывая, что W k =2  , и умножая правую часть на дробь , получим:

где W k 2, W k 3 - работа когезии фаз 2 и 3.

Таким образом, условие растворения состоит в том, что работа адгезии между взаимодействующими телами должна быть равна или больше среднего значения суммы работ когезии. От работы когезии надо отличать адгезионную прочность W п .

W п – работа, затраченная на разрушение адгезионного соединения . Эта величина отличается тем, что в нее входит как работа разрыва межмолекулярных связей W a , так и работа, затраченная на деформацию компонентов адгезионного соединения W деф :

W п = W a + W деф .

Чем прочнее адгезионное соединение, тем большей деформации будут подвергаться компоненты системы в процессе его разрушения. Работа деформации может превышать обратимую работу адгезии в несколько раз.

Смачивание - поверхностное явление, заключающееся во взаимодействии жидкого с твердым или другим жидким телом при наличии одновременного контакта трех несмешивающихся фаз, одна из которых обычно является газом.

Степень смачиваемости характеризуется безразмерной величиной косинуса краевого угла смачивания или просто краевого угла. При наличии капли жидкости на поверхности жидкой или твердой фазы наблюдаются два процесса при условии, что фазы взаимно нерастворимы.

Жидкость остается на поверхности другой фазы в виде капли.

Капля растекается по поверхности.

На рис. 2.4.1.2 показана капля на поверхности твердого тела в условиях равновесия.

Поверхностная энергия твердого тела, стремясь к уменьшению, растягивает каплю по поверхности и равна  31 . Межфазная энергия на границе твердое тело - жидкость стремится сжать каплю, т.е. поверхностная энергия уменьшается за счет уменьшения площади поверхности. Растеканию препятствуют когезионные силы, действующие внутри капли. Действие когезионных сил направлено от границы между жидкой, твердой и газообразной фазами по касательной к сферической поверхности капли и равно  21 . Угол  (тетта), образованный касательной к межфазным поверхностям, ограничивающим смачивающую жидкость, имеет вершину на границе раздела трех фаз и называется краевым углом смачиваемости . При равновесии устанавливается следующее соотношение

- закон Юнга .

Отсюда вытекает количественная характеристика смачивания как косинус краевого угла смачивания
. Чем меньше краевой угол смачивания и, соответственно, чем большеcos , тем лучше смачивание.

Если cos  > 0, то поверхность хорошо смачивается этой жидкостью, если cos  < 0, то жидкость плохо смачивает это тело (кварц – вода – воздух: угол  = 0; «тефлон – вода – воздух»: угол  = 108 0). С точки зрения смачиваемости различают гидрофильные и гидрофобные поверхности.

Если 0< угол <90, то поверхность гидрофильная, если краевой угол смачиваемости >90, то поверхность гидрофобная. Удобная для расчета величины работы адгезии формула получается в результате сочетания формулы Дюпре и закона Юнга:

;

- уравнение Дюпре-Юнга.

Из этого уравнения видна разница между явлениями адгезии и смачиваемости. Разделив обе части на 2, получим

Так как смачивание количественно характеризуется cos , то в соответствии с уравнением оно определяется отношением работы адгезии к работе когезии для смачивающей жидкости. Различие между адгезией и смачиванием в том, что смачивание имеет место при наличии контакта трех фаз. Из последнего уравнения можно сделать следующие выводы:

1. При  = 0 cos  = 1, W a = W k .

2. При  = 90 0 cos  = 0, W a = W k /2 .

3. При  =180 0 cos  = -1, W a =0 .

Последнее соотношение не реализуется.

15927 0

Во-первых, давайте предположим, что первое условие для адгезии, соблюдать близкий контакт на молекулярном уровне между адгезивом и субстратом. А теперь представим, что будет происходить после того, как материалы вступят в контакт, и как они будут взаимодействовать. Адгезионная связь может быть механической, физической или химической, но обычно она представляет собой комбинацию этих видов связи.

Механическая адгезия

Простейшим видом адгезии является механическое сцепление компонентов адгезива с поверхностью субстрата. Эта адгезия образуется за счет присутствия таких неровностей поверхности, как углубления, трещины, щели, при развитии которых образуются микроскопические поднутрения.

Основным условием образования механической адгезии является способность адгезива легко проникать в углубления на поверхности субстрата, а затем твердеть. Это условие зависит от смачивания поверхности субстрата адгезивом, которая, в свою очередь, связана с соотношением поверхностных энергий материалов, находящихся в контакте, определяющим величину контактного угла смачивания. Идеальной ситуацией является полное смачивание субстрата адгезивом. Для улучшения контакта перед нанесением адгезива следует избавиться от воздуха или пара, присутствующих в углублениях. Если адгезив сможет заполнить поднутрения и затем затвердеть, то, естественно, он блокируется поднутрениями (Рис. 1.10.7).

Рис. 1.10.7. Механическое зацепление между адгезивом и субстратом на микроскопическом уровне

Степень проникновения адгезива в поднутрения зависит как от давления, которое было приложено при его нанесении, так и от свойств самого адгезива. Если попытаться оторвать адгезив от субстрата, то это можно сделать лишь путем его разрыва, так как адгезив невозможно извлечь из поднутрений. Концепция механической адгезии не противоречит условиям для крепления или ретенции несъемных зубных протезов, используемой при их фиксации, за исключением тех явлений, которые происходят на микроскопическом уровне. Важное отличие между этими концепциями заключается в том, что хорошая смачиваемость не является необходимым условием макроретенции, тогда как она играет определяющую роль в создании механического зацепления на микроскопическом уровне.

В целом, поднутрения часто увеличивают механическую прочность соединения, однако обычно этого недостаточно, чтобы был задействован механизм самой (специфической) адгезии. Существует ряд дополнительных механизмов адгезии, вызванных физическими и химическими причинами. Термин истинная или специфическая адгезия обычно используется для того, чтобы отличить физическую и химическую адгезию от механической, однако от подобных терминов лучше отказаться, поскольку они не совсем точны.

Понятие истинной адгезии предполагает, что кроме нее существует адгезия ложная, однако в действительности адгезия либо существует, либо ее нет. Физическая и химическая отличаются от механической адгезии тем, что первые вовлекают адгезив и субстрат в молекулярное взаимодействие друг с другом, в то время как для механической такое взаимодействие на поверхности раздела двух фаз не требуется.

Физическая адгезия

При близком контакте двух плоскостей образуются вторичные связи за счет диполь-дипольного взаимодействия между поляризованными молекулами. Величина возникших сил притяжения очень невелика, даже если они и обладают высоким значением дипольного момента или повышенной полярностью.

Величина энергии связи зависит от относительной ориентации диполей в двух плоскостях, однако обычно эта величина составляет не более 0,2 электрон-вольта. Это значение намного меньше, чем у первичных связей, таких, как ионные или ковалентные, у которых энергия связи обычно колеблется в пределах от 2,0 до 6,0 электрон-вольт.

Вторичные связи за счет диполь-дипольного взаимодействия возникают очень быстро (поскольку для их возникновения не нужна энергия активации) и являются обратимыми (так как молекулы на поверхности вещества остаются химически незатронутыми). Это слабое адсорбционное физическое притяжение легко разрушается при повышении температуры, и оно не подходит для тех случаев, когда требуется постоянное соединение. Тем не менее, такие связи, как водородная, могут стать важнейшей предпосылкой к образованию химической связи.

Из этого следует, что соединение неполярных жидкостей с полярными твердыми веществами затруднено, и наоборот, поскольку между этими двумя веществами будет отсутствовать взаимодействие на молекулярном уровне, даже при их близком контакте. Такое поведение наблюдается у жидких силиконовых полимеров, которые являются неполярными и поэтому не образуют вторичных связей с твердыми поверхностями. Связи с ними возможны только при прохождении химической реакции сшивания, которая создаст места соединений между жидкостью и твердым телом.

Химическая адгезия

Если после адсорбции на поверхности молекула диссоциирует, и затем ее функциональные группы, каждая в отдельности, смогут соединяться ковалентными или

ионными связями с поверхностью, то в результате образуется прочная адгезионная связь. Такую форму адгезии называют хемосорбцией, и она может быть по своей природе как ионной, так и ковалентной.

Химическая связь отличается от физической тем, что два соседних атома совместно обладают одними и теми же электронами. Поверхность адгезива должна быть прочно соединена с поверхностью субстрата через химические связи, поэтому необходимо присутствие реакционноспособных групп на обеих поверхностях. В частности, это относится к образованию ковалентных связей, что происходит, например, при связывании реакционноспособных изоцианатов с полимерными поверхностями, содержащими гидроксильные и аминные группы (Рис. 1.10.8).

Рис. 1.10.8. Образование ковалентной связи между изоцианатом и гидроксильными и аминными группами на поверхности субстрата

В отличие от неметаллических соединений, между твердым и жидким металлами легко образуется металлическая связь — этот механизм лежит в основе паяния. Металлическая связь возникает за счет свободных электронов и не зависит от присутствия реакционноспособных групп. Однако эта связь возможна только в том случае, если металлические поверхности будут идеально чистыми. На практике это означает, что для удаления оксидных пленок необходимо использовать флюсы, в противном случае эти пленки будут препятствовать контакту между атомами металлов.

Единственным путем отделения адгезива от субстрата является механический разрыв химических связей, однако это не означает, что в первую очередь будут разорваны именно эти, а не другие валентные связи. Это накладывает ограничения на прочность, которую можно достичь в соединении. Если прочность склеивания или адгезионного соединения окажется выше прочности при растяжении материалов адгезива или субстрата, тогда раньше, чем разрушится адгезионное соединение, произойдет разрушении когезионное адгезива или субстрата.

Адгезия переплетением молекул (Диффузионный механизм адгезии)

До сих пор мы исходили из предположения, что между адгезивом и субстратом существует четко выраженная поверхность раздела. Обычно адгезив адсорбируется поверхностью субстрата и может рассматриваться, как поверхностноактивное вещество, которое накапливается на поверхности, но не проникает вглубь. В некоторых же случаях адгезив или один из его компонентов способны проникать внутрь поверхности субстрата, а не накапливаться на ней. Следует подчеркнуть, что абсорбция молекул возникает в результате хорошего смачивания поверхности, а не является его причиной.

Если абсорбированный компонент представляет собой молекулу с длинной цепью, или образует молекулу с длинной цепью после поглощения субстратом, то в результате может произойти переплетение или взаимодиффузия молекул адгезива и субстрата, которое приведет к очень высокой адгезионной прочности (Рис. 1.10.9).

Рис. 1.10.9. Диффузионный переходный слой, образо ванный взаимным переплетением молекулярных фрагментов адгезива и субстрата

Это равенство называется уравнением Дюпре. Оно означает, что работа адгезии (W) является суммой свободных поверхностных энергий твердого тела (у) и жидкости (y|v) за вычетом энергии на поверхности раздела между жидкостью и твердым телом (ysl).

Из уравнения Юнга следует,

Ysv Ysi = Ysi cose

Адгезия будет максимальной при полном (идеальном) смачивании, т.е. в случае, когда cosq = 1, следовательно, энергией склеенных поверхностей и энергиями каждой из этих поверхностей в отдельности (Рис. 1.10.10).

Рис. 1.10.10. Отделение жидкости от твердой поверхности с образованием двух новых поверхностей

Поверхностное натяжение жидкого углеводорода составляет приблизительно 30 мДж/м. Если предположить, что силы притяжения убывают до нуля на расстоянии 3 х 10~ метров, то сила, требуемая для того, чтобы отделить жидкость от твердой поверхности равна работе адгезии, деленной на расстояние, и равна 200 МПа.

Фактически, эта величина значительно выше.

Таким образом, адгезивы должны сильно химически притягиваться поверхностью субстратов для обеспечения высокой адгезионной прочности.

Клиническое значение

Врачу необходимо знать, какой вид связи он стремится получить, а для этого требуется понимание этапов создания адгезионного соединения. Это позволит избежать ошибок в работе.

Основы стоматологического материаловедения
Ричард ван Нурт

По определению адгезия – это свойство различных веществ и материалов соединяться между собой. Переводится с древнегреческого (латинского) языка как – прилипание.

Она может иметь различные значения, которые зависят от межмолекулярной связи, слабой или сильной, а также возможности проникновения ионов одного вещества в другое, другими словами, от величины взаимной диффузии.

Примером может служить способность впитывать воду различными веществами и материалами. Здесь адгезия будет выглядеть как смачиваемость. Снижение силы адгезии, если брать строительство, может возникать от большой степени усадки материала.

Если строительный раствор после высыхания становится намного меньше в своем объеме, то вполне вероятно, что появятся трещины, которые ослабляют сцепление ингредиентов раствора между собой.

Адгезия в строительстве

Рассмотрим, что такое адгезия в строительстве. В строительных процессах свойство материалов и веществ проникать друг в друга, чаще всего наблюдается в малярных и изоляционных работах, сварочных и паяльных, при производстве профлиста и других изделий, где требуется качественная защита от коррозии металла. Понимание процесса прилипания, или сцепления, требуется:

При заливке монолитных бетонных конструкций, когда образуются перерывы в работе
При подборе правильного клеящего состава и материалов, нуждающихся в склеивании или сваривании
Выборе окрасочных составов и жидких гидроизоляционных смесей, и в других случаях

Единицы измерения адгезии

Единица измерения величины сцепления – МПа (мегапаскаль). Если паскаль определяется как сила вертикального давления на горизонтальную площадь, равную одному квадратному метру, то 1 мегапаскаль будет равняться прикладываемому усилию в 10 кг, давящей на 1 кв. см.

Для примера: если величина адгезии на клеящем составе обозначена как 3 МПа, значит, чтобы оторвать приклеенную деталь площадью в 1 кв. см. потребуется приложить усилие равное 30 кг.

Адгезия ГОСТ

Для определения величины сцепления следует руководствоваться несколькими ГОСТами, в зависимости от вида стыкуемых материалов. Чтобы определить прочность сухих строительных смесей, используемых для изготовления бетона, пользуются рекомендациями ГОСТ 31356-2007.

ГОСТ 28574-90 применяется, когда требуется найти значение величины сцепления лакокрасочных материалов, используемых для защиты бетонных и металлических конструкций от ржавления.

ГОСТ 32299-2013 полностью соответствует международному стандарту ISO 4624:2002, регламентирующий метод определения величины сцепления лакокрасочных покрытий и строительных конструкций из различных материалов – металла и бетона, дерева и кирпича, на отрыв.

Адгезия к основным строительным материалам

Стекло

К твердому стеклу хорошо прилипают жидкостные вещества – лаки, краски, полимерные составы, различные герметики. Жидкое стекло обладает большой адгезией к твердым телам, если они имеют пористую структуру.

Дерево

Деревянные поверхности хорошо сцепляются с красками, лаками, битумом и плохо с цементными составами. Для оштукатуривания таких поверхностей используют растворы на основе алебастра, гипса.

Бетон

У бетона как и у кирпича, хорошая сцепляемость с различными жидкостными составами на основе воды, если его поверхность влажная. С полимерными продуктами в этом случае уровень липучести будет ниже. Влияет на этот эффект и пористость поверхностей, чем она шершавее, тем сцепляемость будет выше.

Посмотрите 2 видеоролика:

Адгезия штукатурки ЦПС к бетонной стене при нарушении технологии:
Адгезия гипсовой штукатурки к монолитной бетонной стене:

Адгезия и когезия

Если адгезия предполагает сцепление разных по составу тел, то когезия, означает соединение или сцепление молекул, атомов, ионов в одном веществе или теле, независимо от его формы – жидкой, твердой или газообразной. В твердых телах она значительно больше, нежели в жидких веществах и, тем более, в газообразных.

На этом статья заканчивается. Сегодня мы узнали, что такое адгезия и какое значение она имеет в строительстве.

— 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.

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.