Критерии адгезии

18 Апреля в 9:03 4382 0


Во всех инструкциях по применению адгезивов, обращается внимание на то, чтобы соединяемые поверхности были чистыми и сухими. И это требование является чрезвычайно важным по ряду объективных причин. Чистая и сухая поверхность материала служит гарантией правильного образования адгезионной связи. Присутствие на поверхности материала загрязняющих веществ будет препятствовать образованию прочной связи, поскольку связь между загрязнителем и поверхностью твердого вещества сама по себе является слабой. Более того, загрязнитель препятствует проникновению адгезивов в субстрат.

 

В число факторов, влияющих на способность адгезива вступать в близкий контакт с субстратом, входят:

смачиваемость субстрата адгезивом; 

вязкость адгезива;

морфология или рельеф поверхности субстрата. 

 

 Смачиваемость

 

Для того, чтобы адгезив образовал связь между двумя материалами, он должен вступить в настолько близкий контакт с поверхностью субстрата, чтобы между адгезивом и этой поверхностью не возникли воздушные пустоты, присутствие которых приведет к ослаблению связи. Способность адгезива контактировать с субстратом зависит от смачивания адгезивом поверхности определенного материала. Хорошая смачиваемость — это способность адгезива растекаться по всей поверхности субстрата, что позволяет максимально задействовать все возможности механизма адгезии.

 

В быту мы нередко наблюдаем способность или неспособность жидкости смачивать поверхность материала. Примером поверхности, которую очень сложно смочить водой, является тефлон (политетратфторэтилен, ПТФЭ). Это свойство позволило использовать тефлон для изготовления антипригарных покрытий соусниц и сковородок. При попадании воды на поверхность тефлона, она образует шарики, которые не растекаются по поверхности материала. Такое свойство материала называется плохой смачиваемостью. На Рис. 1.10.3 представлены возможные варианты смачивания поверхности материала.

 stomatologicheskoe materialovedenie_1.10.3.jpg

Рис. 1.10.3. Характер смачивания жидкостью твердой поверхности

 

Взаимодействие между субстратом и адгезивом происходит под действием движущей силы, которая распределяет адгезив по поверхности субстрата. Этой движущей силе противодействует сила сопротивления растеканию адгезива по поверхности субстрата, которая зависит от вязкости адгезива, степени шероховатости поверхности твердого материала и присутствия загрязнений. Движущая сила обеспечивается поверхностной энергией адгезива и субстрата (см. ниже).

 

Поверхностная энергия

 

В массе твердого вещества или жидкости, молекулы подвержены действию сил притяжения во всех направлениях. Таким образом, каждая молекула находится в состоянии динамического равновесия с окружающими ее молекулами. Однако на поверхности вещества этот тонкий баланс нарушается, что приводит к притяжению молекулы внутрь, в направлении огромного числа молекул в массе материала. Действие сил притяжения внутрь материала создает энергию на поверхности материала, называемую поверхностной энергией. У жидкостей поверхностную энергию называют поверхностным натяжением.

 

Под действием поверхностного натяжения жидкость стремится принять сферическую форму. Это происходит потому, что в отличие от других форм, сфера обладает наименьшей площадью поверхности, и, следовательно, минимальной поверхностной энергией для данного объема жидкости, что позволяет свести к минимуму суммарную энергию жидкости.

 

В то время, как поверхностное натяжение жидкости представляет собой реальное напряжение на ее поверхности, в случае твердого тела поверхностная энергия связана с работой по растяжению его поверхности, а не с приданием этой поверхности определенной формы. Измерить поверхностную энергию твердого вещества намного сложнее, чем жидкости. Один из создателей учения о смачиваемости материалов, Зисман, предложил подход, который в настоящее время широко используется для оценки поверхностной энергии твердого вещества. Он разработал концепцию, называемую концепцией критической энергии поверхности.

 

Контактный угол

 

При контакте жидкости с твердым телом, угол, образованный между твердой и жидкой поверхностями, называют контактным углом. Контактный угол зависит от поверхностного натяжения жидкости и поверхностной энергии твердого вещества (Рис. 1.10.4).

 stomatologicheskoe materialovedenie_1.10.4.jpg

Рис. 1.10.4. Контактный угол смачивания между жидкостью и твердой поверхностью, где ysv- поверхностное натяжение на границе твердой поверхности и пара, у8|H поверхностное натяжение на границе твердой поверхности и жидкости и ylv - между жидкостью и паром

 

Измерение контактного угла между твердым телом и жидкостью позволяет оценить способность жидкости смачивать поверхность определенного субстрата. Для идеального смачивания, обеспечивающего идеальные условия для адгезии, угол между твердой поверхностью и жидкостью должен быть равным нулю. В этом случае жидкость полностью покроет твердую поверхность, что позволит создать максимальную прочность связи между адгезивом и субстратом. Движущая сила этого процесса, или, иными словами, растекание жидкости по твердой поверхности, зависит от поверхностного натяжения жидкости и поверхностной энергии твердого тела. В точке, где жидкость соприкасается с поверхностью твердого тела, их поверхностные натяжения (энергии) должны быть уравновешены. Это равновесие можно выразить следующим уравнением:

 

 +cose Ysv = Ysi V

 

Это уравнение может быть преобразовано для определения контактного угла, (полученное уравнение иначе называют уравнением Юнга):

 

cos = (Ysv-Ysl)/Y,v,

 

где Ysi ~~ поверхностная энергия на поверхности раздела между твердым телом и жидкостью, ysv - поверхностная энергия на поверхности раздела между твердым телом и паром,у1у — поверхностная энергия на поверхности раздела между жидкостью и паром.

 

Критическая поверхностная энергия

 

Измерив контактный угол у ряда разных жидкостей на одном и том же твердом субстрате, и построив график зависимости косинуса контактного угла от заранее известных значений поверхностного натяжения используемых жидкостей, можно получить наклонную прямую, указывающую на линейное соотношение между этими величинами. Это линейное соотношение представлено на Рис. 1.10.5. Оно показывает, что наклонная прямая экстраполирована до пересечения с линией, в которой косинус контактного угла равен 1. Если cos q = 1, то q = 0. Ситуация, в которой контактный угол равен 0, и является условием идеального смачивания.

 stomatologicheskoe materialovedenie_1.10.5.jpg

Рис. 1.10.5. График Zismana для определения величины критической поверхностной энергии твердого тела

 

Величина поверхностного натяжения, при которой косинус контактного угла равен 1, называется критической поверхностной энергией твердого тела.

 

Критическая поверхностная энергия твердого тела равна поверхностному натяжению жидкости, полностью растекшейся по твердой поверхности. Такая жидкость может быть реально существующей или гипотетической. Любая жидкость, поверхностное натяжение которой приближается к критической поверхностной энергии твердого тела, будет эффективно смачивать его поверхность. Таким образом, жидкость с низкой поверхностной энергией будет легко растекаться по поверхности субстрата с высокой поверхностной энергией, поскольку поверхность субстрата будет замещена поверхностью с более низкой энергией. Тефлон обладает очень низкой поверхностной энергией, поэтому сложно найти жидкость с низким поверхностным натяжением, которая могла бы эффективно смачивать поверхность этого материала. Другим материалом с низкой поверхностной энергией является силиконовая резина, и очень сложно найти вещество, способное растекаться по поверхности этого материала.

 

С другой стороны, силиконовые полимеры в жидкой форме хорошо смачивают большинство поверхностей благодаря своей низкой поверхностной энергии. Эти полимеры успешно используются в оттискных материалах.

 

В Таблице 1.10.1 представлены значения поверхностных энергий ряда материалов. Для удобства поверхностные энергии выражены в дж/м (н/м). Поверхностная энергия перфтордилауриловой кислоты такова, что по ее поверхности может растекаться только сжиженный инертный газ.

 

 stomatologicheskoe_materialovedenie_table_1.10.1.jpg

Клиническое значение

 

Адгезив должен быть совместим с поверхностью, подлежащей соединению. Например, гидрофобные (не смачиваемые водой) полимеры не склеиваются с гидрофильными (смачиваемые водой) поверхностями.

 

Вязкость

 

Для успешного использования адгезива необходимо, чтобы он мог не только образовать близкий контакт с субстратом, но и легко растекаться по его поверхности, но не до такой степени, чтобы его текучестью нельзя было бы управлять. Движущая сила растекания жидкости зависит от ее способности смачивать твердую поверхность. Движущей силе противодействует вязкость жидкости. Нежелательно, чтобы жидкость имела слишком высокую вязкость. Высокая вязкость будет препятствовать легкому растеканию жидкости по поверхности твердого субстрата, и ее проникновению в узкие трещины и щели.

 

В целом, величины контактного угла прямо пропорциональны вязкости адгезива, однако это утверждение будет неверным, если адгезив представляет собой растворитель, содержащий добавки.

 

Использование растворителей с низким поверхностным натяжением, в которых растворены вещества, обладающие высокой вязкостью, может привадить к искаженному представлению о контактном угле. В этом случае, несмотря на низкий контактный угол, сопротивление растеканию, обусловленное высокой вязкостью жидкости, будет препятствовать ее дальнейшему распределению по поверхности субстрата.

 

Аналогично, высоконаполненные адгезивы, такие, как полимерные композиты, будут с трудом распределяться по поверхности твердого вещества, что может создать впечатление о высоком поверхностном натяжении и плохой смачиваемости. Однако субстрат будет контактировать только с низковязким полимером, который с готовностью увлажнит его поверхность при условии, что будет обладать низким поверхностным натяжением. Распределению полимерного композита по поверхности субстрата будет препятствовать только жесткость наполнителя, но вовсе не неспособность полимерной матрицы увлажнить расположенную под ней поверхность субстрата.

 

Способность жидкости заполнять все трещины и щели на твердой поверхности можно оценить количественно, с помощью коэффициента пенетрации (КП), который является функцией поверхностного натяжения (у) и вязкости (т)). Коэффициент пенетрации определяют по уравнению:

 

КП = yCos9/2ri

 

Коэффициент пенетрации является мерой способности жидкости проникать в капиллярное пространства, такие, как интерпроксимальные области, десне вые карманы и поры. На Рис. 1.10.6 представлены значения коэффициентов пенетрации для разных растворов для полоскания рта.

 stomatologicheskoe materialovedenie_1.10.6.jpg

Рис. 1.10.6. Значения коэффициентов пенетрации растворов для полоскания рта (Из работы Perdok J.F. с соавт. (1990) J.Dent. 18:147)

 

Шероховатость поверхности

 

При измерении контактного угла исходят из предположения, что субстрат обладает идеально гладкой поверхностью. На самом же деле поверхность субстрата на микроскопическом уровне может быть очень грубой. Преимуществом грубой или шероховатой поверхности является увеличение площади для создания адгезионного соединения, однако есть и недостаток у такой поверхности — возможность захвата воздуха. Захват воздуха может значительно снизить эффективное пространство для склеивания, в результате чего произойдет ослабление связи. Составными элементами неровностей поверхности являются трещины и щели, поэтому одним из требований, предъявляемых к адгезиву, является его способность затекать в углубления на поверхности субстрата.

 

Высоковязкие адгезивы склонны захватывать воздух, поскольку из-за своей плотности они не могут затекать в трещины и щели, а могут только образовывать над ними «мосты». При отсутствии воздуха адгезив будет проникать в трещины и щели за счет действия капиллярных сил. Для легкого проникновения в них адгезив должен обладать высоким поверхностным натяжением, что указывает на высокое капиллярное притяжение. Для того, чтобы наглядно представить себе это явление, можно погрузить капилляры (трубки с очень малым диаметром отверстия) в жидкости с разным поверхностным натяжением, в результате чего обнаружится, что чем выше будет поверхностное натяжение жидкости, тем выше поднимется жидкость в капилляре.

 

Капиллярным силам противодействует давление воздуха, захваченного адгезивом, и силы сопротивления, возникшие из-за вязкости адгезива. Однако, поверхностное натяжение жидкости должно быть достаточно низким, для того, чтобы жидкость могла эффективно смачивать субстрат. Следовательно, поверхностное натяжение идеального адгезива должно быть чуть ниже поверхностной энергии твердого субстрата. При соблюдении этого условия, шероховатость поверхности может иметь положительное значение для улучшения прочности адгезии.

 

Площадь поверхности шероховатого субстрата выше, чем гладкого, на большей площади поверхности сможет образоваться большее число связей. Если неровности поверхности будут иметь определенное строение (морфологию), например, на поверхности субстрата будут присутствовать микроскопические поднутрения, то прочность адгезии может усилиться за счет микромеханического сцепления.

Основы стоматологического материаловедения
Ричард ван Нурт

Похожие статьи
показать еще
 
Стоматология и ЧЛХ