Лако-красочные материалы — производство

Из курса элементарной физической химии известно, что все атомы обладают свой­ством, называемым электроотрицательностью, которое является параметром, определяющим силу притяжения между каким-либо определенным атомом и электроном. Ранее было показано, как элсктроотринатсльность приводит к обра­зованию биполярных молекул. Периодическая таблица элементов устанавливает приблизительно точный порядок элсктроотрнцатсльности. при этом атомы с боль­шей электроотрицательностью располагаются в правой части, а атомы с большей электроположитсльностью в левой части таблицы. Таким образом, фтор пред­ставляет собой чрезвычайно элскт|н>отрицатсльный атом, в то время как натрий является более электроположительным атомом. Для соединений атомов и молекул также может быть характерна элекцюогрицатслыюсть. Поверхности твердых тел также могут быть как электроположительными, так и электроотрицательными. В хорошо известном опыте стержень из янтаря натирают шерстью, и »тот стержень накапливает поверхностный заряд, величину которого можно легко определить. Рассматривая опубликованную в последнее время литературу в области науки об адгезии, можно сказать, что поверхности, которые имеют электроположительный заряд, представляют собой основания, а поверхности с электроотрнцательноетыо являются кислотами.

Основоположником электростатической теории адгезии является Дерягин 111. который предположил, что любые адгезионные явления можно объяснить с точки зрения электростатики. Он разработал теорию, объясняющую прочность клеево­го соединения действием электростатических сил, и сделал также попытку экспе­риментально доказать справедливость данных теоретических представлений. На рис. 6.1 схематически представлены основные положения этой теории. Электропо­ложительный материал передает заряд электроотрицательному материалу, создавая таким образом двойной электрический слой на границе раздела. Согласно теории Дерягина прочность адгезионного соединения определяется силой, необходимой для отделения заряженной поверхности от какой-либо другой поверхности, преодо­левая Кулоновские силы. Результатом теории Дерягина является уравнение

н; — 2к«iv

Рис. 6.1. Схема образования адгезионного соединения в результате перехода заряда от электроположительного к злекіроотрицатслыюму материалу. Считают, что проч­ность адгезионного соединении обусловлена силами притяжения между заряда­ми, ирису тс і пующими на протиіюіюложньіх сторонах границы раздела

где 11"л — работа разрушения адгезионного соединения; оП — плотность поверхност­ного заряда; hN — величина зазора между разделяемыми поверхностями, когда на­ступает электрический пробой.

Дерягин с сотрудниками использовали оригинальный метод для определения поверхностного заряда и величины зазора, необходимых для решения указанного уравнения, введя закон Иашсна для пробоя газа при определенном электрическом потенциале. Закон Пашсна связывает пробивное напряжение газа с давлением окру­жающей среды и расстоянием между двумя электродами. Дерягин с сотрудниками приняли допущение, что находящиеся и контакте материалы ведут себя как конден­сатор. и напряжение в конденсаторе может быть описано следующим выражением:

j,3 _ 8я£г/>/|

Р

где V — напряжение; р — давление окружающего газа; Е{ — энергия, накопленная конденсатором; h величина разделения двух плоскостей заряда.

Как показал Хангсбергер (2|, основное допущение о равенстве параметров Ес и Н^было ошибочным. Используя это допущение, ангоры определяли работу отслаи­вания от стекла. Измеренное значение параметра Проказалось равным величине параметра Ег чго было использовано для построения на диаграмме Пашена гра­фика зависимости log У от log ph. По этому графику они смогли вычислить плот­ность заряда и определить расстояние, на которое он распространяется, используя уравнение для плотности заряда в конденсаторе. К сожалению, оно не учитывало энергию, рассеянную в процессе расслаивания, которая не является межфазной энергией. Кроме того, эти исследователи нс принимали по внимание пластическую ле(}юрмацшо клея и субстрата. Единственным состоянием, при котором межфазная энергия представляет собой полную энергию разрушения адгезионного соедине­ния. является такой случай, когда субстраты и клеевой слой абсолютно упруги. В силу этого ошибочного допущения экспериментальные исследования Дерягина и электростатическая теория адгезии вызывают определенные сомнения. В данной книге неоднократно показывается, что большая часть работы, необходимой для раз­рушения клеевого соединения, тратится на пластическую деформацию субстрата и клеевого слоя.

Однако, несмотря на несовершенство работы Дерягина, существует несколько моментов, показывающих, что нельзя полностью игнорировать электростатический компонент в силе адгезии. Дикинсон с сотрудниками (3) в Вашингтонском универ­ситете исслеловачи явление фрактоэмиссии. В этих исследованиях адгезионные соединения помещали в глубокий вакуум при таких условиях, когда можно почув­ствовать влияние светового излучения, излучения заряженных и нейтральных ча­стиц, а также других типов электромагнитного излучения. Адгезионное соединение раскрывают и измеряют величину различных излучений. При разрушении, напри­мер. соединения алюминиевого субстрата эпоксидным клеем испускаются заряжен­ные частицы и свет. Если линкую ленту приложить к фотоэмульсионной пластине и затем оторвать от этой пластины, то в результате получают фотографическое изо­бражение света, испускаемого в процессе отслаивания. В другом эксперименталь­ном исследовании отрезок ленты приклеивают к транзисторному радиоприемнику с частотной модуляцией. Когда лента отрывается от приемника, можно слышать усиленный приемником звук, свидетельствующий об испускании радиочастотного излучения во в|к*мя операции отслаивания ленты. Данные эксперименты показыва­ют вероятность присутствия электростатической составляющей в адгезии, так как в этом случае обнаруживают наличие разряда. Дикинсон не претендует на то. что его работа является подтверждением или отрицанием электростатической теории, но показывает, что полученные им данные также могут быть объяснены разрывом ковалентных связей.

Вероятно, наиболее определяющей работой, показывающей присутствие элек­тростатической составляющей в явлении адгезии, является статья, опубликованная Смитом и Хорном |-1]. Эти исследователи использовали прибор для анализа по­верхностных сил (SFA), описанный в разделе 4.5.2 2. Образцами служили стекло и слюда. Исследования предусматривали получение с помощьюі/КК-измсрений вели­чины межфазной энергии. Методики, с помощью которых на приборе SEA опреде­ляют расстояние на границе раздела, предусматривают оценку интерференционных полос, известных как полосы одинаковою хроматического порядка или FECO |5]. На рис. 6.2. а схематически показано, какой вил имеют полосы FECO между двумя раз­деленными поверхностями при ис пытании на приборе SEA. На рис. 6.2, b представ­лен результат исследования Смита и Хорна для поверхностей слюды и сапфира, которые вначале были приведены в контакт, а затем разделены. К большому удив­лению этих исследователей форма пятна в момент отслаивания, которая обычно представляет собой почти параболу, оказалась совс ем не параболической. В данном случае пятно имело вил точечного контакта и оказалось, что силы действуют на до­вольно большом расстоянии. Кроме того, дія измеренных сил. действующих между разделенными поверхностями, не характерно поведение, свойственное ван-дер — ваальсовым силам. Наоборот, дальнодсйсгнуюшая сила, по-видимому, изменяется дискретным образом. Смит и Хорн прикрепляли к образцам электрометр и уста­новили, что во в[к*мя контакта на поверхности появляется заряд. Скачкообразное изменение показаний спектрометра соответствует разрядам на поверхности, что яв­ляется очевидным свидетельством присутствия электростатических сил в прямом эксперименте но оценке сил адгезии.

Рис. в 2. Схематическая диаграмма полос FECO (полос одинакового хроматического по­рядка). которые можно наблюдать и «нормальном» эксперименте на приборе SFA

(a) и диаграмма, полученная для контактирующих поверхностей слюда сапфир

(b) . Оптическая система интерферометра позволяет предположить получение н мормхті. мом эксперименте кривых, имеющих параболическую фірму

Экспериментальные исследования Смита и Хорна показынают, что появляется заряд между диоксидом кремния н слюдой. Полученные ими результаты показыва­ют также, что силы притяжения подчиняются главным образом закону Кулона, а не изменению силы в зависимости от расстояния в соответствии с законом Ван-дер — Ваальса Вероятной причиной такого поведения материалов, является значитель­ное отличие злектроотрицатсльностсн диоксида кремния и слюды. Этот эффект не был обнаружен в процессе аналої нчпых исследований контакта между разнородны­ми полимерами [з|. Можно сделать вывод о том, что электростатика может иг рать определенную роль в образовании связи и может регулировать прочность адгези­онного соединения, однако этгг справедливо только гг том случае, ког да между ма­териалами. вступающими в контакт, имеются существенные различия в келичггнах

а. ч е к гроотрг і иатсл ы і осте й.