În fizică și mecanică , adeziunea este ansamblul fenomenelor fizico-chimice care apar atunci când două materiale sunt plasate în contact intim , cu scopul de a crea rezistență mecanică la separare. Odată stabilit contactul, energia necesară pentru a realiza separarea se numește energie de adeziune (energie pe unitate de suprafață). Nu trebuie confundat cu aderența , care este dimpotrivă forța (pe unitate de suprafață) necesară pentru a realiza aceeași separare. Aderența este fie directă, fie mediată de un material intermediar.
Aderența directă între materiale este rară. Are loc doar pentru materiale foarte netede și extrem de curate (mica sau siliciu de exemplu), pe care reușim să le punem în contact intim, adică la distanțe de ordinul mărimii atomice (nanometru). Prin urmare, este adesea imposibil dacă suprafețele sunt aspre . Aderența directă este legată în primul rând, dar nu exclusiv, de interacțiunile van der Waals .
Exemple de aderență directă: aderența moleculară a micii sau siliciului, adeziunea șopârlei gecko , fabricarea anvelopelor auto.
Conform lucrărilor lui JW McBain (în) și DG Hopkins : orice lichid ude o suprafață și se poate transforma într-un fel sau altul într-un solid va acționa ca un adeziv pentru aceste suprafețe. De exemplu, îmbinările de șelac între suprafețele metalice au o rezistență la tracțiune de peste 2 tone pe inch pătrat. Modelul estimează că „originea aderenței se datorează ancorării fizice a polimerului depus în timpul procesului de ancorare a suprafeței substratului” Acest lucru determină un blocaj mecanic între cele două suprafețe. Prin urmare, acest mecanism se aplică numai atunci când cele două materiale sunt în contact strâns și învelișul ude bine suprafața substratului pentru a putea penetra spațiul de pe suprafață.
Dintr-o perspectivă la scară nanomatică, trei fenomene fundamentale care afectează aderența la o scară microscopică sunt: puterea forțelor van der Waals , forța electrostatică și forța capilară . Au fost dezvoltate mai multe idei și teorii pentru a descrie influența forțelor de aderență în timpul mecanismelor de contact. Cele mai importante sunt cele dezvoltate de Johnson, Kendall și Roberts: modelul JKR . Această teorie este deosebit de eficientă pentru adeziune puternică, materiale flexibile, precum și pentru o rază mare de curbură . În schimb, pentru materialele care sunt inerent greu de deformat, au o aderență redusă și au o rază mică de curbură, cel mai potrivit model este modelul DMT (Derjaguin, Muller și Toporov).
În ciuda faptului că aceste teorii își atrag atenția asupra diferitelor surse, toți sunt de acord să spună că forța de aderență depinde direct de energia Dupré Δγ și de geometria contactului. D. Tabor (ro) a introdus un parametru adimensional µ pentru a separa aceste modele atunci când o sferă se deformează elastic în contact cu planul:
μ=(RΔγ2E′2z0)13{\ displaystyle \ mu = {\ biggl (} {R \ Delta _ {\ gamma} ^ {2} \ over E '^ {2} z_ {0}} {\ biggr)} ^ {1 \ over 3}} sau:Rezultă că dacă:
Umezirea este abilitatea unui lichid pentru a forma o interfață cu o suprafață solidă, iar gradul de umezire este exprimat ca θ a unghiului de contact format între lichid și suprafața solidă a substratului. Acest lucru depinde de suprafață, de tensiunea lichidului și de natura și starea suprafeței substratului. Cu cât unghiul de contact este mai mic, cu atât tensiunea superficială a lichidului este mai mare și gradul de umectare este mai mare, adică dacă picăturile sunt curate și fără poluare, picăturile se vor răspândi pe toată suprafața, așa cum se arată în figura de mai jos.
Unghiul de contact θ este o funcție a aderenței dispersiei (interacțiunea dintre moleculele adezive și moleculele solide) și a coeziunii adezivului lichid. Dacă aderența la suprafața substratului este puternică și aderența în lichid este slabă, gradul de umectare este ridicat. Dimpotrivă, combinația de aderență redusă și coeziune ridicată duce la o viteză mai mare a unghiului de contact și o umezire slabă a suprafeței substratului, care apare atunci când se formează picături pe suprafață, mai degrabă decât „un strat de lichid. Un unghi de contact mai mic indică o aderență mai mare, deoarece există o zonă mai mare de contact între adeziv și substrat, rezultând o energie totală mai mare a suprafeței substratului și o forță de interacțiune mai mare în lichid și substrat.
Teoria electrostaticăEste util să distingem mecanismul care aderă la material de mecanismul care se opune separării. Forța totală împotriva separării depășește în general forța totală de fixare.
Dacă materialele sunt făcute să fie în contact intim fără a se atinge și a se separa unele de altele, anumite mecanisme de aderență (cum ar fi forțele van der Waals sau forțele electrostatice) vor afecta și forțele de aderență și separare. Dacă două materiale sunt încărcate din cauza dezechilibrului de electroni sau ioni, forța electrostatică dintre cele două materiale poate acționa pe o distanță de câțiva centimetri, care este mult mai mare decât intervalul oricărui alt mecanism de aderență, iar atracția gravitațională poate fi ignorat aici. Legea Coulomb oferă o bază matematică pentru a descrie forța electrostatică dintre obiecte pentru proprietățile materialului și diferite forme geometrice.
Nu este clară importanța forței electrostatice asupra altor mecanisme de aderență (cum ar fi forța van der Waals) atunci când materialele sunt în contact. Deryagin și colegii săi au subliniat cu insistență că, datorită schimbului de sarcini între moleculele donator-acceptor la interfață, componenta de adeziune electrostatică domină. Opinia opusă este că efectul electricității statice asupra aderenței este mai degrabă o excepție decât regula generală. Argumentul pentru această viziune este că atunci când diferite combinații de materiale sunt în contact și separate, schimbul de sarcină este foarte dependent de condițiile materialului și de suprafață, în timp ce gradul de aderență este slab dependent de natura materialului.
Aderența chimică rezultă din crearea unei legături covalente între două suprafețe de contact produse în timpul unei reacții chimice. Aceste combinații asigură asamblarea celor două materiale. După cum s-a amintit mai sus, aderența poate avea loc în două moduri: unul este printr-o reacție directă între două materiale în contact (de exemplu, atunci când se folosește un adeziv adecvat pe substrat), sau prin cuplare (situație în care există molecule compatibile între adeziv și substrat). A doua soluție este în general o tehnică utilizată pentru a obține o bună aderență între matricea epoxidică și fibrele de sticlă realizate din materiale compozite.
În consecință, interfața poate fi locul unei reacții chimice, generând legături de tip ionic sau covalent. Având în vedere importanța energiei legăturii principale (~ 200-400 kJ.mol-1) în comparație cu aderența fizică (> 50 kJ.mol-1), rezistența la tracțiune a componentei trebuie să fie foarte puternică. Datorită subțire a interfeței, este dificil de observat aceste conexiuni.
Datorită subțire a interfeței, este dificil de observat aceste conexiuni. Mecanismul aderenței chimice a fost sursa multor lucrări. Unele au fost grupate împreună, de exemplu:
Aderența corespunde și mecanismelor implicate în sinterizare , cum ar fi atunci când o pulbere de metal sau ceramică este comprimată sau încălzită, atomii se vor difuza de la o particulă la alta pentru a produce un solid. Când atomii de pe o suprafață pătrund în suprafața adiacentă în timp ce rămân legați de suprafața lor originală, are loc o legătură de difuzie. Este mecanismul prin care porțelanul și metalul sunt fuzionate împreună în fabricarea coroanelor dentare .
Teoria difuzieiTeoria difuziei propusă de S. Voyuskii explică aderența inerentă (autoadezivă) între polimeri. Când doi polimeri compatibili (adică cel puțin un monomer este solubil într-un alt monomer) sunt în contact strâns, mobilitatea moleculară indusă termic este suficientă pentru a provoca difuzia lanțurilor macromoleculare, creând astfel o zonă de interfață. Această teorie se aplică numai materialelor care au suficientă mobilitate și solubilitate reciprocă. Mai precis, conform acestei teorii, aderența este cauzată de difuzarea reciprocă a moleculelor sau lanțurilor dintr-un polimer.
Dispariția interfeței dintre cele două materiale este favorabilă mezofazei , care se schimbă continuu de la proprietățile primului material la proprietățile fizice și chimice ale celui de-al doilea material. Această aderență este controlată de fenomenul de difuzie, care implică compatibilitatea materialelor. Crearea unei interfețe între două suporturi este întotdeauna însoțită de consum de energie. Această energie de suprafață este egală cu aria înmulțită cu tensiunea superficială .
Când două părți ale aceluiași material polimeric sunt plasate în contact bun la o temperatură peste temperatura de tranziție a sticlei , interfața macroscopică dintre cele două părți dispare treptat și rezistența mecanică a interfeței crește. Acest fenomen are o mare importanță practică, se numește sudarea plasticului sau vindecarea fisurilor.
În multe situații, un agent de reticulare este adăugat la material: acesta este în special cazul tehnologiei de acoperire cu latex , unde particulele individuale de latex ale unei dispersii de polimeri sunt turnate pe o suprafață. Particulele formează contacte și se unesc treptat pentru a da o peliculă continuă, ale cărei proprietăți pot fi îmbunătățite semnificativ printr-un agent de reticulare suplimentar. Cu toate acestea, utilizarea unui agent de reticulare aduce o anumită dificultate: un echilibru delicat între interdiffuzie și viteze de reticulare sunt necesare pentru a obține o rezistență optimă a filmului, întrucât reacția și difuzia concurează. Interdifuzia este foarte sensibilă și încetinește pe măsură ce reacția de reticulare progresează și lanțurile devin mai mari și mai ramificate. Astfel, dacă viteza de reacție este prea rapidă, particulele se vor amesteca doar parțial, în dezavantajul durității filmului.
Aderența cu un material intermediar este cu mult mai frecventă decât aderența directă: un material subțire asigură legătura mecanică între cele două materiale aderente. Materialul intermediar face posibilă în special depășirea efectului nociv al rugozității asupra aderenței .
Prezența unui pic de lichid între două corpuri permite o aderență slabă, numită aderență capilară . Principiul aderenței capilare este că presiunea din lichid este mai mică decât presiunea atmosferică: echilibrul forțelor corespunde apoi unei atracții. Aderența capilară rezistă la separare, dar nu la alunecare, iar rezistența sa depinde de vâscozitatea lichidului.
Exemple: coeziunea boabelor de nisip , aderența anumitor insecte ( furnică , păianjen , gândac Colorado ).
Cea mai comună strategie artificială de a uni două materiale împreună prin suprafața lor folosește adeziv sau adeziv . Lipiciile se caracterizează prin faptul că se solidifică după aplicare, în timp ce adezivii sunt materiale solide moi și nu se modifică atunci când sunt aplicate. În ambele cazuri, este un material intermediar care asigură un contact intim cu suprafața fiecăruia dintre cele două materiale pe care se dorește să le adere în ciuda rugozității suprafeței lor . Pentru a face acest lucru, cleiurile sunt lichide în timp ce adezivii se deformează.
Principalul avantaj al aderenței este de a genera rezistență la rupere. Prin urmare, întreaga întrebare este să știm prin ce mecanisme și cât de eficient rezistă o rupere a sigiliului adeziv, indiferent de tipul de solicitare la care este supus.
Regiunea care este originea aderenței este, în general, mult mai subțire decât cele două obiecte care aderă. Văzut de la distanță, fenomenul de separare a celor două obiecte apare deci ca o fractură și studiat cu instrumentele corespunzătoare, care constituie un câmp în sine: mecanica fracturii . În special, criteriul separării a două obiecte nu aduce pur și simplu în joc stresul aplicat, ci și energia disipată în timpul propagării separării. O ilustrare a importanței energiei este căderea unui cablu într-o mină .
Rezistența la tracțiune a aderenței dintre două obiecte provine din două componente, ambele necesare pentru o bună aderență. Aceste două componente sunt:
O fractură între două materiale asamblate într-un mod indirect se poate propaga în două moduri: fie în interiorul articulației (adeziv sau lipici) (aceasta este apoi o ruptură coezivă ), fie la suprafață (ruptură adezivă). În ceea ce privește aderența directă, ruptura este neapărat adezivă.
Defecțiunea coezivă indică faptul că interfața s-a comportat mai puternic decât miezul materialului adeziv sau al lipiciului. În schimb, pentru ruperea adezivului, interfața a fost mai puțin rezistentă.
Diagrama unei rupturi coezive (în interiorul adezivului)
Diagrama unei rupturi adezive (la interfață)
Eficacitatea aderenței este în general măsurată mai mult prin energia disipată în timpul separării decât prin modul exact de rupere (adeziv sau coeziv). Cu toate acestea, este frecvent ca energia disipată maximă să fie localizată în regimul de coeziune (pentru care se dezvoltă mecanisme de disipare în interiorul materialului), în imediata vecinătate a regimului adeziv. În general, în regim adeziv, disiparea la interfață este relativ mai mică, iar deformările din material sunt moderate și nu declanșează mecanisme disipative eficiente.
Se poate distinge un anumit număr de teste clasice care fac posibilă propagarea artificială a unei pauze într-un material pentru a măsura rezistența acestuia.
Exemple de teste de aderență: