Склеивание — один из старейших способов образования неразъ­емных соединений.

Современные синтетические клеи склеивают любые материалы, образуя высокопрочные, атмосферостойкие, долговечные, способ­ные противостоять коррозии и гниению соединения.

Способность клея соединять различные материалы объясняется силами адгезии или химическим сродством между находящимися на поверхности молекулами склеиваемого материала и клея. Эти силы во много раз (в 10—100 раз) меньше основных сил хими­ческой связи в простых молекулах. Полярные материалы, содер­жащие, например, эпоксидные, спиртовые, кислотные, аминогруп­пы, следует склеивать веществами, имеющими аналогичные по­лярные группы, так как в этом случае практически установлена высокая величина адгезии.

При склеивании неполярных материалов их предварительно подвергают термической или химической обработке для получе­ния на их поверхности полярных групп. Таким образом склеивают полиэтилен, фторопласт-4. Но необходимо отметить, что прочность клеевого соединения также зависит от сил когезии —сил взаимо­действия между молекулами самого клея.

Общепринятой теории, объясняющей процесс склеивания, в на­стоящее время нет. Наибольшее значение приобрели адсорбцион­ная, электрическая, диффузионная и химическая теории адгезии.

Адсорбционная теория объясняет образование связи между клеящим веществом и склеиваемым материалом, как результат действия межмолекулярных сил. Действующие на границе твер­дое тело — жидкость силы достаточны для обеспечения прочцой связи. Эту теорию подтверждают следующие факты: 1) возмож­ность склеивания веществами, содержащими функциональные груп­пы, различных полярных материалов; 2) трудности склеивания неполярных материалов клеями на основе веществ, ие содержа­щих функциональных групп.

Адсорбционная теория позволяет процесс образования клее­вого слоя разделять на две стадии.

На первой стадии молекулы клеящего вещества перемещаются к поверхности склеиваемых материалов и полярные группы клея­щего вещества приближаются к полярным группам склеиваемых материалов.

Во второй стадии происходит сорбция. На близком расстоянии между молекулами клеящего вещества и склеиваемых материа­лов начинают действовать молекулярные силы (дисперсионные, индукционные, электростатические) с образованием различных связей (диполь — диполь, диполь — наведенный диполь, водород­ная связь и т. д.).

Важнейшие факторы, определяющие адгезионные и когезион­ные свойства клея, теория объясняет следующим образом. Силы, действующие между частицами поверхностей разнородных тел, аналогичны по своей природе силам, действующим между части­цами внутри тела. Поэтому для нарушения контакта между двумя поверхностями нужно затратить определенную работу на преодо­ление сил сцепления — работу адгезии. Работа, затрачиваемая па преодоление сил сцепления, действующих между частицами вну­три однородного тела, характеризуется как работа когезии.

Величину работы адгезии жидкости к твердому телу вычис­ляют по уравнению

№а = а (I + COS ф)

где а — поверхностное натяжение жидкости;

Ф — краевой угол, составленный касательной к поверхности капли и твердой поверхностью, на которую капля помещена (ве­личина краевого угла обратно пропорциональна адгезии).

Величина адгезии двух твердых тел определяется затрачивае­мой работой на их разъединение. При контакте этих тел возни­кают, как уже отмечено, молекулярные силы трек видов — диспер­сионные, индукционные и электростатические.

Дисперсионные силы обусловлены взаимной поляризацией мо­лекул за счет непрерывного внутреннего движения электронов. Действуют дисперсионные силы на небольшом расстоянии между молекулами независимо от наличия или отсутствия в них поляр­ных групп.

Индукционные силы связаны с образованием диполя, наведен­ного другой молекулой, обладающей постоянным дипольным мо­ментом.

Электростатические силы определяются взаимодействием по­лярных молекул, которые в результате несимметричного распре­деления электрических зарядов способны притягивать или оттал­кивать другие полярные молекулы.

Особым видом электростатической связи является так назы­ваемая водородная связь,

В том случае, когда водород может образовать связь между двумя электроотрицательными атомами, энергия этой связи больше энергии дисперсионной, индукционной и электростати­ческой.

Величина дисперсионных сил не зависит от температуры; ве­личина электростатических сил с возрастанием температуры уменьшается в связи с нарушением ориентации диполей в резуль­тате увеличения подвижности молекул. Считается, что адгезион­ные свойства полимеров зависят от когезии групп, входящих в их состав. Это подтверждается тем фактом, что макромолекулы, со­держащие группы атомов с величинами э перги и когезии менее 5 ккал/моль, не обладают достаточной адгезией к полярным по­верхностям. л

Поэтому хорошими клеями являются эпоксидные, феиолоальде — гидные смолы, поли ви нил ацетат, полиуретаны и другие, а полиизо­бутиле и и виниловые эфиры — плохими.

Адсорбционная теория адгезии имеет недостатки. Исследова­ниями советских ученых доказано, что фактическая работа адге­зии значительно больше работы, затрачиваемой на преодоление межмолекуляртгых сил. Теория не объясняет наличие адгезии между некоторыми слабополярными полимерами (каучук, гутта­перча и др.).

Электрическая теория адгезии базируется на двух основных положениях:

1) адгезия твердых пленок обусловливается электростатиче­ским притяжением зарядов двойного электрического слоя (микро­конденсатора), возникающего на поверхности раздела клеящего вещества — склеиваемого материала;

2) отрыв клеящего вещества от склеиваемого материала пред­ставляет собой процесс разведения обкладок микрокондеиеатора до наступления газового разряда.

Эти положения были подтверждены экспериментально. Прирав­нивая к энергии конденсатора работу адгезии, можно вычислить ее по формуле:

га = —S-.A є

где ро — поверхностная плотность зарядов; h — величина зазоров между обкладками; s — диэлектрическая проницаемость среды.

Двойное электрическое — поле возникает тогда, когда в контакте находятся полимер и металл. Граничные слои металла обедняются электронами, в то же время граничные слои полимера обогащаются ими. Поверхность металла при отрыве оказывается заряженной положительно, а поверхгтость полимера отрица­тельно.

Полимер может вести себя как донор или акцептор электронов в зависимости от того, с поверхностью кдкого веществЭ он нахо­дится в контакте,

Б. В. Дерягин и В. П. Смилга, исследуя механизмы образова­ния двойного электрического слоя, пришли к выводу об электрон­ном механизме процесса, вследствие химического воздействия между склеиваемым материалом и клеящим полимером.

Возникновение двойного электрического слоя рассматривается как косвенный результат ориентированной адсорбции полярных функциональных групп полимера.

Электрическая теория не может объяснить увеличение адгезии соединяемых близких по природе полимеров друг к другу, у кото­рых контактная разность потенциалов невелика. Не дается объяс­нение также высокой адгезии наполненных сажей полимеров (клеи на основе фенолоформальдегидных смол и синтетических кучуков), обладающих проводимостью.

Диффузионная теория адгезии объясняет адгезию и аутогезию (взаимная диффузия молекул одинаковых полимеров) полимеров диффузией цепных молекул или их участков с образованием проч­ной связи между клеящим веществом и склеиваемым материалом. По диффузионной теории адгезия—это взаимная диффузия макро­молекул двух различных полимеров.

Процесс диффузии приводит к исчезновению резкой границы раздела между поверхностями с образованием слоя, имеющего промежуточный состав. Эта теория подтверждается высокой адге­зией в случае полярности (или неполярности) обоих полимеров, и низкой адгезией, если один полимер неполярен, а другой полярен.

Однако в практике наблюдаются и обратные явления, когда получают высокую адгезию между слабополярными или неполяр­ными полимерами (ііолиизобутилен, полибута диен) и полярным целлофаном.

Наличие диффузии макромолекул при контакте двух полимеров экспериментально доказано с помощью электронной микроскопии. Диффузионная теория адгезии объясняет также влияние на склеи­вание ряда технологических факторов: применение общего для клеящего вещества и склеиваемого материала растворителя; вве­дение в клеящее вещество наполнителя или пластификатора.

Многочисленные исследования показали, что во многих случаях при склеивании металлов с металлами, а также металлов с ре­зиной и с некоторыми неметаллическими материалами прочность соединения обусловлена наличием химических связей между склеи­ваемыми поверхностями. Предполагается, что образование адге­зионной связи между клеящим полимером и склеиваемым мате­риалом происходит следующим образом.

Контакт полимера со склеиваемым материалом устанавливается не мгновенно, а вследствие повышенной вязкости полимера в те­чение определенного времени, обусловленного условиями смачива­ния клея при данной температуре. Этот процесс носит кинетиче­ский характер. Интенсивность процессов смачивания можно регулировать, изменяя состав клеящего вещества и условия про­цесса.

В случае, когда склеиваемым материалом будет полимер, в ко­тором может растворяться клеящее вещество, макромолекулы клея будут диффундировать в глубь склеиваемого материала.

Если склеивают твердое тело (стекло или полимер), несовме­стимое с клеящим веществом, прочность связи определяется адсорбционным взаимодействием между активными группами клея и склеиваемым материалом.