Adhesión, La energía superficial, Mecanismos de adherencia, Fuerza, Otros efectos



La adhesión es la tendencia de las partículas disímiles o superficies de aferrarse el uno al otro. Las fuerzas que causan la adherencia y la cohesión se pueden dividir en varios tipos. Las fuerzas intermoleculares responsables de la función de diversos tipos de pegatinas y caída cinta adhesiva en las categorías de adhesión química, adhesión dispersiva, y la adhesión difusiva. Además de las magnitudes acumuladas de estas fuerzas intermoleculares, hay ciertos efectos mecánicos emergentes que también se discutirán al final del artículo.

La energía superficial

La energía superficial se define convencionalmente como el trabajo que se requiere para construir una unidad de área de una superficie en particular. Otra forma de ver la energía superficial es relacionarlo con el trabajo que se requiere para romper la muestra global y la creación de dos superficies. Si las nuevas superficies son idénticos, la energía superficial? de cada superficie es igual a la mitad del trabajo de la escisión, W:? = W11.

Si las superficies no son iguales, la ecuación de Young-Dupré se aplica: W12 = 1 2 - 12, donde 1 y 2 son las energías superficiales de las dos nuevas superficies, y 12 es la tensión interfacial .

Esta metodología también se puede utilizar para analizar la escisión que ocurre en otro medio:? 12 = W121 = W212. Estas dos cantidades de energía se refieren a la energía que se necesita para escindir una especie en dos piezas mientras se está contenida en un medio de las otras especies. Del mismo modo para un sistema de tres especies: 13 23 - 12 = W12 W33 - W13 - W23 = W132, W132, donde es la energía de escindir especies 1 a partir de especies 2 en un medio de especies de 3 ?.

Un conocimiento básico de la terminología de la energía escote, energía superficial, y la tensión superficial es muy útil para la comprensión de la condición física y los acontecimientos que suceden en una superficie determinada, pero como veremos más adelante, la teoría de estas variables también produce algunos efectos interesantes que afecta a la viabilidad de las superficies adhesivas en relación con su entorno.

Mecanismos de adherencia

Se han propuesto cinco mecanismos de adhesión a explicar por qué un material se pega a otro:

Adherencia mecánica

Los materiales adhesivos llenan los huecos o poros de las superficies y tienen superficies unidas por enclavamiento. Otros fenómenos entrelazados se observan en diferentes escalas de longitud. La costura es un ejemplo de dos materiales que forman una unión mecánica a gran escala, una forma de velcro en una escala media, y algunos adhesivos textiles formar uno en una pequeña escala.

Adhesión química

Dos materiales pueden formar un compuesto en la unión. El más fuerte es donde se une a los átomos del canje de dos materiales o comparten electrones. Un enlace más débil si se forma un átomo de hidrógeno en una molécula es atraído a un átomo de nitrógeno, oxígeno, flúor o en otra molécula, un fenómeno llamado enlace de hidrógeno.

Adherencia química se produce cuando los átomos de la superficie de dos superficies separadas forman enlaces iónicos, covalentes o de hidrógeno. El principio de la ingeniería detrás de adhesión química en este sentido es bastante sencillo: si moléculas de la superficie pueden unión, a continuación, las superficies se unen entre sí por una red de estos enlaces. Cabe mencionar que estas fuerzas iónicas y covalentes atractivos son eficaces en sólo distancias muy pequeñas - de menos de un nanómetro. Esto significa que, en general, no sólo que la unión deben ser llevados muy próximos entre sí, sino también que estos bonos son bastante frágiles, ya que las superficies se deben mantenerse juntos superficies con potencial para la industria química.

Adhesión dispersiva

En la adherencia de dispersión, también conocida como fisisorción, dos materiales se mantienen unidos por fuerzas de van der Waals: la atracción entre dos moléculas, cada una de las cuales tiene una región de ligera carga positiva y negativa. En el caso simple, tales moléculas polares son por lo tanto con respecto a la densidad de carga media, aunque en moléculas más grandes o más complejos, puede haber múltiples "polos" o regiones de mayor carga positiva o negativa. Estos polos positivos y negativos pueden ser una propiedad permanente de una molécula o un efecto transitorio que puede ocurrir en cualquier molécula, ya que el movimiento aleatorio de los electrones dentro de las moléculas puede dar lugar a una concentración temporal de electrones en una región.

En la ciencia de superficies, el término adherencia casi siempre se refiere a la adhesión dispersiva. En un sistema de gas-líquido-sólido típico el ángulo de contacto se utiliza para cuantificar la adhesividad. En los casos en que el ángulo de contacto es bajo, más adherencia está presente. Esto es debido a una mayor área superficial entre el líquido y el sólido y resulta en una mayor energía superficial. El trabajo de adhesión explica la fuerza interactiva entre las fases líquida y sólida y la ecuación de Young-Dupre se utiliza para calcular el trabajo de adhesión. El ángulo de contacto del sistema de tres fases es una función no sólo de la adhesión dispersiva sino también la cohesión. Fuerte adhesión y cohesión débiles resultados en un alto grado de humectación, una condición lipófilo con ángulos de contacto medidos bajo. Por el contrario, la debilidad de la adhesión y los fuertes resultados de cohesión en condiciones liófobos con altos ángulos de contacto medidos y pobres humectantes.

Las fuerzas de dispersión de London son particularmente útiles para la función de los dispositivos de adhesivos, debido a que no requieren cualquiera de las superficies de tener cualquier polaridad permanente. Ellos se describen en la década de 1930 por Fritz Londres, y se han observado por muchos investigadores. Fuerzas dispersivos son una consecuencia de la mecánica cuántica estadísticos. Londres teoría de que las fuerzas de atracción entre las moléculas que no pueden ser explicados por la interacción iónica o covalente pueden ser causados por momentos dentro de las moléculas polares. Multipolos podría ser responsable de atracción entre moléculas con momentos multipolares permanentes que participan en la interacción electrostática. Sin embargo, los datos experimentales mostraron que muchos de los compuestos observados a experimentar fuerzas de van der Waals no tenían multipolos en absoluto. Londres sugirió que dipolos momentáneos son inducidos puramente en virtud de las moléculas que están en proximidad el uno al otro. Al resolver el sistema de mecánica cuántica de dos electrones como osciladores armónicos a cierta distancia finita entre sí, siendo desplazados de sus respectivas posiciones de reposo y la interacción con los campos del otro, Londres mostró que la energía de este sistema está dada por:

Mientras que el primer término es simplemente la energía de punto cero, el segundo término negativo indica una fuerza de atracción entre los osciladores vecinos. El mismo argumento se puede extender también a un gran número de osciladores acoplados, y por lo tanto bordea cuestiones que pudiera anular los grandes efectos atractivos escala de dipolos permanentes cancelación a través de la simetría, en particular.

La naturaleza aditiva del efecto de dispersión tiene otra consecuencia útil. Considere la posibilidad de un único dipolo tales dispersivo, referido como el origen dipolo. Desde cualquier origen dipolo es inherentemente orientada a fin de ser atraído por los dipolos adyacentes que induce, mientras que los otros dipolos, más distantes no se correlacionan con el original dipolo por cualquier relación de fase, hay una fuerza neta en un mayor atractivo de tales partículas . Al considerar partículas idénticas, esto se llama fuerza de cohesión.

Cuando se habla de la adhesión, esta teoría necesita ser convertida en términos relativos a las superficies. Si hay una energía neta atractiva de la cohesión en una mayor parte de moléculas similares, a continuación, escindir esta mayor para producir dos superficies se dió superficies con una energía de superficie de dispersión, ya que la forma de la energía siguen siendo los mismos. Esta teoría proporciona una base para la existencia de fuerzas de van der Waals en la superficie, que existe entre las moléculas que tienen electrones. Estas fuerzas se observan fácilmente a través de los saltos espontánea de superficies lisas en contacto. Las superficies lisas de mica, de oro, varios polímeros y soluciones de gelatina sólidas no se quedan abajo cuando su separación se convierte en lo suficientemente pequeño - del orden de 1 a 10 nm. La ecuación que describe estas atracciones se predijo en 1930 por De Boer y Hamaker:

donde P es la fuerza, z es la distancia de separación, y A es una constante específica del material llamado la constante de Hamaker.

El efecto es también evidente en experimentos en los que un sello de polidimetilsiloxano se hace con pequeñas estructuras periódicas mensaje. La superficie con los mensajes se coloca cara abajo sobre una superficie lisa, de tal manera que el área de superficie entre cada poste se eleva por encima de la superficie lisa, como un techo sostenido por columnas. Debido a estas fuerzas de dispersión de atracción entre el PDMS y el sustrato liso, la superficie elevada - o "techo" - colapsa sobre el sustrato sin ninguna fuerza externa a un lado de la der Waals atracción furgoneta. Superficies poliméricas lisas simples - sin ningún tipo de microestructuras - se utilizan para estas propiedades adhesivas de dispersión. Adhesivos y pegatinas que se adhieren al vidrio sin utilizar adhesivos químicos son bastante comunes como juguetes y adornos y útiles como etiquetas removibles, ya que no pierden rápidamente sus propiedades adhesivas, al igual que las cintas adhesivas que utilizan compuestos químicos adhesivos.

Es importante tener en cuenta que estas fuerzas actúan también en distancias muy pequeñas - 99% del trabajo necesario romper de van der Waals se realiza una vez que las superficies se extraen más de un nanómetro de distancia. Como resultado de este movimiento limitado en tanto la de van der Waals y situaciones enlace iónico/covalente, la eficacia práctica de adhesión debido a una o ambas de estas interacciones deja mucho que desear. Una vez que se inicia una grieta, que se propaga fácilmente a lo largo de la interfaz debido a la frágil naturaleza de los enlaces interfaciales.

Como una consecuencia adicional, el aumento de área de superficie a menudo hace poco para mejorar la fuerza de la adhesión en esta situación. Esto se deduce de la insuficiencia grieta antes mencionado - la tensión en la interfaz no está distribuida uniformemente, sino que más bien se concentra en la zona de fallo.

Adherencia electrostática

Algunos materiales conductores pueden pasar electrones para formar una diferencia en la carga eléctrica en la unión. Esto resulta en una estructura similar a un condensador y crea una fuerza de atracción electrostática entre los materiales.

Adherencia difusivo

Algunos materiales pueden combinar en la unión por difusión. Esto puede ocurrir cuando las moléculas de ambos materiales son móviles y solubles entre sí. Esto sería particularmente eficaz con las cadenas de polímero en un extremo de la molécula se difunde en el otro material. También es el mecanismo implicado en la sinterización. Cuando polvos metálicos o de cerámica se presionan entre sí y se calientan, se difunden átomos de una partícula a la siguiente. Este se une a las partículas en una sola.

Fuerzas difusivos son algo así como la inmovilización mecánica en el nivel molecular. Unión difusivo se produce cuando las especies de una superficie penetran en una superficie adyacente, mientras que todavía está unido a la fase de su superficie de origen. Un ejemplo ilustrativo es el del polímero sobre las superficies poliméricas. Unión difusivo en polímero sobre las superficies de polímero es el resultado de las secciones de cadenas de polímero de una superficie de interdigitación con los de una superficie adyacente. La libertad de movimiento de los polímeros tiene un fuerte efecto en su capacidad para entrelazarse, y por lo tanto, en la unión por difusión. Por ejemplo, los polímeros reticulados son menos capaces de difusión y la interdigitación debido a que se unen entre sí en muchos puntos de contacto, y no son libres de girar en la superficie adyacente. Polímeros no reticulados, en el otro lado son más libre para pasear en la fase adyacente mediante la extensión de las colas y los bucles a través de la interfaz.

Otra circunstancia bajo la cual se produce la unión por difusión es "escisión". Escisión de la cadena es el corte de las cadenas de polímero, lo que resulta en una mayor concentración de cola distal. La concentración elevada de estos extremos de cadena da lugar a una concentración elevada de colas de polímero que se extiende a través de la interfaz. Escisión se consigue fácilmente mediante radiación ultravioleta en presencia de oxígeno gaseoso, lo que sugiere que los dispositivos que utilizan adhesivos de unión por difusión se benefician realmente de la exposición prolongada al calor/la luz y el aire. Cuanto más tiempo un dispositivo de este tipo está expuesto a estas condiciones, las colas son más scissed y se ramifican a través de la interfaz.

Una vez al otro lado de la interfaz, las colas y los bucles se forman lo que los bonos son favorables. En el caso de polímeros en superficies de polímeros, esto significa más fuerzas de van der Waals. Si bien estos pueden ser frágiles, que son muy fuertes cuando se forma una gran red de estos bonos. La capa más externa de cada superficie juega un papel crucial en las propiedades adhesivas de dichas interfaces, ya que incluso una pequeña cantidad de interdigitación - tan poco como uno o dos colas de 1,25 angstroms de longitud - puede aumentar los der Waals van por un orden de magnitud .

Fuerza

La fuerza de la adherencia entre dos materiales depende de cuál de los mecanismos anteriores ocurrir entre los dos materiales, y el área superficial sobre la que los dos materiales de contacto. Los materiales que mojan uno contra el otro tiende a tener un área de contacto más grande que aquellos que no lo hacen. Humectación depende de la energía superficial de los materiales.

Materiales de baja energía superficial tales como polietileno, polipropileno, politetrafluoroetileno y polioximetileno son difíciles de unir sin una preparación especial de la superficie.

Otros efectos

En concierto con las fuerzas de superficie primarios descritos anteriormente, hay varios efectos circunstanciales en juego. Mientras que los propios cada fuerzas contribuyen a la magnitud de la adhesión entre las superficies, la siguiente desempeñan un papel crucial en la fuerza global y la fiabilidad de un dispositivo adhesivo.

Encadenar

Encadenar es quizás el más importante de estos efectos, y con frecuencia se ve en las cintas adhesivas. Encadenar ocurre cuando una separación de dos superficies está comenzando y las moléculas en el puente de la interfaz a través de la brecha, en lugar de craqueo como la propia interfaz. La consecuencia más importante de este efecto es la restricción de la grieta. Al proporcionar los enlaces interfaciales contrario frágiles con cierta flexibilidad, las moléculas que se encordado a través del espacio pueden detener la propagación de la grieta. Otra manera de entender este fenómeno es por comparación con la concentración de tensión en el punto de fallo se mencionó anteriormente. Dado que el estrés está esparcido en un área, el estrés en un momento dado tiene menos posibilidades de abrumar la fuerza de adherencia total entre las superficies. Si el fallo se produce en una interfaz que contiene un agente adhesivo viscoelástico, y una grieta no se propagan, que pasa por un proceso gradual llamado "digitación", en lugar de una, fractura frágil rápida. Encordado puede aplicarse tanto al régimen de unión por difusión y el régimen de enlace químico. Las cadenas de moléculas puente a través del espacio sería o las moléculas que se había difundido anteriormente a través de la interfaz o el adhesivo viscoelástico, a condición de que no había un volumen significativo de que en la interfaz.

Microestructuras

Dispositivos adhesivas tecnológicamente avanzados a veces hacen uso de microestructuras sobre superficies, tales como los mensajes periódicos descritos anteriormente. Estas son tecnologías biomiméticos inspirados en las capacidades adhesivas de los pies de diversos artrópodos y vertebrados. Por entremezclando descansos periódicos en superficies lisas, adhesivos, la interfaz adquiere valiosas propiedades de fisuración detención. Como inicio de la grieta requiere mucho más estrés que hace la propagación de grietas, superficies de este tipo son mucho más difíciles de separar, como una nueva grieta se tiene que reiniciar cada vez que se alcance el siguiente microestructura individual.

Histéresis

Histéresis, en este caso, se refiere a la reestructuración de la interfaz de adhesivo sobre un cierto período de tiempo, con el resultado de que el trabajo necesario para separar dos superficies es mayor que el trabajo que se ha subido al reunirlos. En su mayor parte, este es un fenómeno asociado con la unión por difusión. Cuanto más tiempo se da para un par de superficies expositoras unión por difusión de reestructuración, se producirá la mayor difusión, mayor será la adherencia será. La reacción mencionada anteriormente de cierto polímero sobre las superficies de polímero a la radiación ultravioleta y el gas oxígeno es una instancia de la histéresis, sino que también ocurrirá con el tiempo sin esos factores.

Además de ser capaz de observar la histéresis determinando si W>? 1 ? 2 es cierto, uno puede también encontrar evidencia de ello mediante la realización de mediciones de "stop-start". En estos experimentos, dos superficies de deslizamiento uno contra el otro dejó de forma continua y, ocasionalmente, para una cierta cantidad de tiempo medido. Los resultados de los experimentos sobre el polímero en las superficies de polímero muestran que si el tiempo de parada es lo suficientemente corto, la reanudación de deslizamiento suave es fácil. Si, sin embargo, el tiempo de parada excede algún límite, hay un aumento inicial de resistencia al movimiento, lo que indica que el tiempo de parada era suficiente para las superficies a reestructurar.

La humectabilidad y la adsorción

Algunos de los efectos atmosféricos sobre la funcionalidad de los dispositivos de adhesivo pueden ser caracterizados siguiendo la teoría de la energía superficial y tensión interfacial. Se sabe que? 12 = W121 = W212. Si? 12 es alta, entonces cada especie le resulta favorable para cohesionar mientras está en contacto con una especie foránea, en lugar de disociarse y mezclar con la otra. Si esto es cierto, entonces se deduce que cuando la tensión interfacial es alta, la fuerza de adherencia es débil, ya que cada especie no resulta favorable para unir a la otra. La tensión interfacial de un líquido y un sólido está directamente relacionada con la capacidad de humectación líquidos, y por lo tanto uno puede extrapolar que los aumentos de cohesión en líquidos no humectantes y disminuciones en los líquidos humectantes. Un ejemplo que verifica esta es polidimetil siloxano de caucho, que tiene un trabajo de auto-adhesión de 43,6 mJ/m2 en el aire, 74 mJ/m2 en agua y 6 mJ/m2 en metanol.

Este argumento se puede extender a la idea de que cuando una superficie está en un medio con el que la unión es favorable, será menos probable que se adhieran a otra superficie, ya que el medio está ocupando los sitios potenciales en la superficie que de otra manera estarían disponibles a que se adhieran a otra superficie. Naturalmente, esto se aplica muy fuertemente a la humectación líquidos, sino también a las moléculas de gas que podrían adsorber sobre la superficie en cuestión, ocupando así sitios potenciales de adhesión. Este último punto es en realidad bastante intuitivo: Dejar un adhesivo expuesta al aire demasiado tiempo consigue sucia, y su fuerza de adherencia disminuye. Esto se observa en el experimento: cuando la mica se escinde en el aire, su energía de escisión, W121 o Wmica/aire/mica, es menor que la energía de escisión en el vacío, Wmica/aspiradora/mica, por un factor de 13.

Adherencia lateral

Adherencia lateral es la adherencia asociada con el desplazamiento de un objeto sobre un sustrato tal como una gota de deslizamiento sobre una superficie. Cuando los dos objetos son sólidos, ya sea con o sin un líquido entre ellos, la adhesión lateral se describe como la fricción. Sin embargo, el comportamiento de adherencia lateral entre una gota y una superficie tribológicamente es muy diferente de la fricción entre los sólidos, y el contacto naturalmente adhesivo entre una superficie plana y una gota de líquido hace que la adherencia lateral en este caso, un campo individual. Adherencia lateral se puede medir usando el balance Adhesión centrífuga, que utiliza una combinación de fuerzas centrífugas y gravitacionales para desacoplar las fuerzas normales y lateral en el problema.