Adhesion

Daggdroppar som fastnar på ett spindelnät

Vidhäftning av en groda på en våt vertikal glasyta.

Konkav menisk orsakas på grund av vidhäftning.

IUPAC definition

Processen att binda ett ämne till ytan av ett annat ämne.

Anmärkning 1 : Vidhäftning kräver energi som kan komma från kemiska och/eller fysikaliska kopplingar, den senare är reversibel när tillräckligt med energi appliceras.

Not 2 : Inom biologi speglar vidhäftning cellers beteende kort efter kontakt med ytan.

Anmärkning 3 : Vid kirurgi används vidhäftning när två vävnader oväntat smälter samman.

Adhesion är tendensen hos olika partiklar eller ytor att klamra sig fast vid varandra ( kohesion hänvisar till tendensen hos liknande eller identiska partiklar/ytor att klamra sig fast vid varandra).

De krafter som orsakar vidhäftning och sammanhållning kan delas in i flera typer. De intermolekylära krafterna som ansvarar för funktionen hos olika typer av klistermärken och tejp faller in i kategorierna kemisk vidhäftning, dispersiv vidhäftning och diffusiv vidhäftning. Förutom de kumulativa magnituderna av dessa intermolekylära krafter finns det också vissa framväxande mekaniska effekter.

Ytenergi

Diagram över olika fall av klyvning, med varje unik art märkt. A : γ = (1/2) W ₁₁ B : W ₁₂ = γ ₁ + γ ₂ – γ ₁₂ C : γ ₁₂ = (1/2) W ₁₂₁ = (1/2) W ₂₁₂ D : W ₁₂ + W ₃₃ – B ₁₃ – B ₂₃ = B ₁₃₂ .

Ytenergi definieras konventionellt som det arbete som krävs för att bygga ett område av en viss yta . Ett annat sätt att se ytenergin är att relatera den till det arbete som krävs för att klyva ett bulkprov, vilket skapar två ytor. Om de nya ytorna är identiska är ytenergin γ för varje yta lika med halva klyvningsarbetet, W: γ = (1/2)W ₁₁ .

Om ytorna är ojämlika gäller Young-Duprés ekvation : W ₁₂ = γ ₁ + γ ₂ – γ ₁₂ , där γ ₁ och γ ₂ är ytenergierna för de två nya ytorna, och γ ₁₂ är gränsytenergin.

Denna metod kan också användas för att diskutera klyvning som sker i ett annat medium: _y12 = (1/2)W121 ₌ (1/2) _W212 . Dessa två energimängder hänvisar till den energi som behövs för att klyva en art i två delar medan den finns i ett medium av den andra arten. Likaså för ett system med tre arter: γ ₁₃ + γ ₂₃ – γ ₁₂ = W ₁₂ + W ₃₃ – W ₁₃ – W ₂₃ = W ₁₃₂ , där W ₁₃₂ är energin för att klyva art 1 från art 2 i ett medium av art 3 .

En grundläggande förståelse av terminologin för klyvningsenergi, ytenergi och ytspänning är till stor hjälp för att förstå det fysiska tillståndet och de händelser som händer på en given yta, men som diskuteras nedan ger teorin om dessa variabler också några intressanta effekter som berör limytornas praktiska egenskaper i förhållande till omgivningen.

Mekanismer

Det finns ingen enskild teori som täcker vidhäftning, och särskilda mekanismer är specifika för speciella materialscenarier. Fem vidhäftningsmekanismer har föreslagits för att förklara varför ett material fastnar vid ett annat:

Mekanisk

Självhäftande material fyller hålrum eller porer på ytorna och håller ihop ytorna genom att låsa varandra . Andra samverkansfenomen observeras på olika längdskalor. Sömnad är ett exempel på två material som bildar en storskalig mekanisk bindning, kardborrband bildar en i medelstor skala och vissa textillim (lim) bildar en i liten skala.

Kemisk

Två material kan bilda en sammansättning vid fogen. De starkaste lederna är där atomer av de två materialen delar eller byter elektroner (kända respektive som kovalent bindning eller jonbindning ). En svagare bindning bildas om en väteatom i en molekyl dras till en atom av kväve , syre eller fluor i en annan molekyl, ett fenomen som kallas vätebindning .

Kemisk vidhäftning uppstår när ytatomerna på två separata ytor bildar joniska, kovalenta eller vätebindningar. Den tekniska principen bakom kemisk vidhäftning i denna mening är ganska okomplicerad: om ytmolekyler kan binda, då kommer ytorna att bindas samman av ett nätverk av dessa bindningar. Det tål att nämnas att dessa attraktiva joniska och kovalenta krafter är effektiva över endast mycket små avstånd - mindre än en nanometer . Detta innebär generellt sett inte bara att ytor med potential för kemisk bindning behöver föras väldigt nära varandra, utan också att dessa bindningar är ganska spröda, eftersom ytorna då måste hållas tätt mot varandra.

Spridande

I dispersiv vidhäftning, även känd som fysisorption , hålls två material samman av van der Waals krafter : attraktionen mellan två molekyler, som var och en har en region med lätt positiv och negativ laddning. I det enkla fallet är sådana molekyler därför polära med avseende på genomsnittlig laddningstäthet , även om det i större eller mer komplexa molekyler kan finnas flera "poler" eller regioner med större positiv eller negativ laddning. Dessa positiva och negativa poler kan vara en permanent egenskap hos en molekyl ( Keesom forces ) eller en övergående effekt som kan uppstå i vilken molekyl som helst, eftersom den slumpmässiga rörelsen av elektroner inom molekylerna kan resultera i en tillfällig koncentration av elektroner i en region ( London krafter ).

Sammanhållning gör att vatten bildar droppar , ytspänning gör att de blir nästan sfäriska och vidhäftning håller dropparna på plats.

Vattendroppar är plattare på en Hibiscusblomma som visar bättre vidhäftning.

Inom ytvetenskap hänvisar termen vidhäftning nästan alltid till dispersiv vidhäftning. I ett typiskt fast-vätske-gas-system (som en droppe vätska på ett fast ämne omgivet av luft) kontaktvinkeln för att utvärdera vidhäftningsförmågan indirekt, medan en centrifugalvidhäftningsbalans möjliggör direkta kvantitativa vidhäftningsmätningar. I allmänhet anses fall där kontaktvinkeln är låg som högre vidhäftning per ytenhet. Detta tillvägagångssätt antar att den lägre kontaktvinkeln motsvarar en högre ytenergi. Teoretiskt sett är det mer exakta förhållandet mellan kontaktvinkel och vidhäftningsarbete mer involverat och ges av Young-Dupre-ekvationen . Trefassystemets kontaktvinkel är inte bara en funktion av dispersiv adhesion (interaktion mellan molekylerna i vätskan och molekylerna i det fasta materialet) utan också kohesion (interaktion mellan själva vätskemolekylerna). Stark vidhäftning och svag sammanhållning resulterar i en hög grad av vätning , ett lyofilt tillstånd med låga uppmätta kontaktvinklar. Omvänt resulterar svag vidhäftning och stark sammanhållning i lyofoba förhållanden med höga uppmätta kontaktvinklar och dålig vätning.

London- spridningskrafter är särskilt användbara för funktionen av adhesiva enheter, eftersom de inte kräver att någon av ytorna har någon permanent polaritet. De beskrevs på 1930-talet av Fritz London och har observerats av många forskare. Dispersiva krafter är en konsekvens av statistisk kvantmekanik. London teoretiserade att attraktionskrafter mellan molekyler som inte kan förklaras av jonisk eller kovalent interaktion kan orsakas av polära moment i molekyler. Multipoler kan stå för attraktion mellan molekyler som har permanenta multipolmoment som deltar i elektrostatisk interaktion . Experimentella data visade dock att många av föreningarna som observerades för att uppleva van der Waals-krafter inte hade några multipoler alls. London föreslog att momentana dipoler induceras enbart på grund av att molekyler är i närheten av varandra. Genom att lösa det kvantmekaniska systemet av två elektroner som harmoniska oscillatorer på något ändligt avstånd från varandra, förskjutas runt sina respektive vilopositioner och interagera med varandras fält, visade London att energin i detta system ges av:

E=3h\nu -{\frac {3}{4}}{\frac {h\nu \alpha ^{2}}{R^ {6}}}

Medan den första termen helt enkelt är nollpunktsenergin , beskriver den negativa andra termen en attraktionskraft mellan intilliggande oscillatorer. Samma argument kan också utsträckas till ett stort antal kopplade oscillatorer, och sålunda överklagar problem som skulle förneka de storskaliga attraktiva effekterna av permanenta dipoler som upphävs genom symmetri, i synnerhet.

Den additiva naturen hos dispersionseffekten har en annan användbar konsekvens. Betrakta en enda sådan dispersiv dipol , hänvisad till som ursprungsdipolen. Eftersom vilken ursprungsdipol som helst är orienterad så att den attraheras till de intilliggande dipolerna som den inducerar, medan de andra, mer avlägsna dipolerna inte är korrelerade med den ursprungliga dipolen av någon fasrelation (därmed i genomsnitt inte bidrar med någonting), finns det en nettoattraktiv kraft i en bulk av sådana partiklar. När man betraktar identiska partiklar kallas detta kohesiv kraft.

När man diskuterar vidhäftning måste denna teori omvandlas till termer som rör ytor. Om det finns en nettoattraktiv energi av kohesion i en bulk av liknande molekyler, då klyvning av denna bulk för att producera två ytor kommer att ge ytor med en dispersiv ytenergi, eftersom formen av energin förblir densamma. Denna teori ger en grund för förekomsten av van der Waals-krafter vid ytan, som finns mellan alla molekyler som har elektroner . Dessa krafter kan lätt observeras genom att släta ytor spontant hoppar i kontakt . Släta ytor av glimmer , guld, olika polymerer och fasta gelatinlösningar håller sig inte isär när deras separering blir tillräckligt liten – i storleksordningen 1–10 nm. Ekvationen som beskriver dessa attraktioner förutspåddes på 1930-talet av De Boer och Hamaker:

{\frac {P}{area}}=-{\frac {A}{24\pi z^{3}}}

där P är kraften (negativ för attraktion), z är separationsavståndet och A är en materialspecifik konstant som kallas Hamaker- konstanten .

De två stadierna av PDMS mikrostruktur kollapsar på grund av van der Waals attraktioner. PDMS-stämpeln indikeras av det streckade området, och substratet indikeras av det skuggade området. A) PDMS-stämpeln placeras på ett underlag med "taket" förhöjt. B) Van der Waals attraktioner gör takkollaps energiskt gynnsamt för PDMS-stämpel.

Effekten är också uppenbar i experiment där en polydimetylsiloxan (PDMS) stämpel görs med små periodiska poststrukturer. Ytan med stolparna placeras med framsidan nedåt på en slät yta, så att ytan mellan varje stolpe höjs över den släta ytan, som ett tak som stöds av pelare. På grund av dessa attraktiva spridningskrafter mellan PDMS och det släta substratet, kollapsar den förhöjda ytan – eller "taket" – ner på substratet utan någon yttre kraft förutom van der Waals attraktion. Enkla släta polymerytor – utan några mikrostrukturer – används vanligtvis för dessa dispersiva vidhäftningsegenskaper. Dekaler och klistermärken som fäster på glas utan att använda några kemiska lim är ganska vanliga som leksaker och dekorationer och användbara som avtagbara etiketter eftersom de inte snabbt förlorar sina vidhäftande egenskaper, liksom tejp som använder självhäftande kemiska föreningar.

Det är viktigt att notera att dessa krafter också verkar över mycket små avstånd – 99 % av det arbete som krävs för att bryta van der Waals bindningar görs när ytor dras mer än en nanometer isär. Som ett resultat av denna begränsade rörelse i både van der Waals och jonisk/kovalent bindningssituation lämnar praktisk adhesionseffektivitet på grund av endera eller båda dessa interaktioner mycket övrigt att önska. När en spricka väl har initierats fortplantar den sig lätt längs gränsytan på grund av gränsytbindningarnas spröda natur.

Som en ytterligare konsekvens gör ökande ytarea ofta lite för att förbättra vidhäftningens styrka i denna situation. Detta följer av det tidigare nämnda sprickbrottet – spänningen vid gränssnittet är inte jämnt fördelad utan koncentrerad till brottområdet.

Elektrostatisk

Vissa ledande material kan passera elektroner för att bilda en skillnad i elektrisk laddning vid leden. Detta resulterar i en struktur som liknar en kondensator och skapar en attraktiv elektrostatisk kraft mellan materialen.

Diffusiv

Vissa material kan smälta samman i fogen genom diffusion . Detta kan inträffa när molekylerna i båda materialen är rörliga och lösliga i varandra. Detta skulle vara särskilt effektivt med polymerkedjor där ena änden av molekylen diffunderar in i det andra materialet. Det är också den mekanism som är involverad i sintring . När metall- eller keramiska pulver pressas samman och värms upp diffunderar atomer från en partikel till en annan. Detta förenar partiklarna till en.

Gränssnittet indikeras med den prickade linjen. A) Icke-tvärbundna polymerer är något fria att diffundera över gränsytan. En slinga och två distala svansar ses diffundera. B) Tvärbundna polymerer inte tillräckligt fria för att diffundera. C) "Skissade" polymerer mycket fria, med många svansar som sträcker sig över gränsytan.

Diffusiva krafter är ungefär som mekanisk tjudrande på molekylär nivå. Diffusiv bindning uppstår när arter från en yta penetrerar in i en intilliggande yta medan de fortfarande är bundna till fasen av deras ursprungsyta. Ett lärorikt exempel är polymer-på-polymer-ytor. Diffusiv bindning i polymer-på-polymer-ytor är resultatet av sektioner av polymerkedjor från en yta som interdigiterar med de på en intilliggande yta. Polymerernas rörelsefrihet har en stark effekt på deras förmåga att interdigitera och därmed på diffusiv bindning. Till exempel är tvärbundna polymerer mindre kapabla till diffusion och interdigitation eftersom de är sammanbundna vid många kontaktpunkter och inte är fria att vrida sig in i den intilliggande ytan. Otvärbundna polymerer ( termoplaster ) å andra sidan är friare att vandra in i den intilliggande fasen genom att sträcka ut svansar och öglor över gränsytan .

En annan omständighet under vilken diffusiv bindning uppstår är "klyvning". Kedjeklippning är uppskärningen av polymerkedjor, vilket resulterar i en högre koncentration av distala svansar. Den förhöjda koncentrationen av dessa kedjeändar ger upphov till en förhöjd koncentration av polymersvansar som sträcker sig över gränsytan. Klyvning uppnås lätt genom ultraviolett bestrålning i närvaro av syrgas, vilket antyder att limanordningar som använder diffusiv bindning faktiskt drar nytta av långvarig exponering för värme/ljus och luft. Ju längre en sådan enhet utsätts för dessa förhållanden, desto fler svansar skärs och förgrenar sig över gränssnittet.

Väl över gränssnittet bildar svansarna och slingorna vilka bindningar som är gynnsamma. När det gäller polymer-på-polymer-ytor innebär detta fler van der Waals-krafter. Även om dessa kan vara spröda, är de ganska starka när ett stort nätverk av dessa bindningar bildas. Det yttersta lagret av varje yta spelar en avgörande roll för de vidhäftande egenskaperna hos sådana gränssnitt, eftersom till och med en liten mängd interdigitation – så lite som en eller två svansar på 1,25 ångström – kan öka van der Waals-bindningarna med en storleksordning .

Styrka

Styrkan hos vidhäftningen mellan två material beror på vilken av ovanstående mekanismer som uppstår mellan de två materialen och den yta över vilken de två materialen kommer i kontakt. Material som väter mot varandra tenderar att ha en större kontaktyta än de som inte gör det. Vätning beror på materialens ytenergi.

Material med låg ytenergi som polyeten , polypropen , polytetrafluoreten och polyoximetylen är svåra att binda utan speciell ytbehandling.

En annan faktor som bestämmer styrkan hos en limkontakt är dess form. Självhäftande kontakter av komplex form börjar lossna vid kontaktytans "kanter". Processen med förstörelse av limkontakter kan ses i filmen.

Andra effekter

I överensstämmelse med de primära ytkrafter som beskrivits ovan finns det flera omständighetseffekter i spel. Även om krafterna själva bidrar till vidhäftningens storlek mellan ytorna, spelar följande en avgörande roll för den totala styrkan och tillförlitligheten hos en limanordning.

Strängning

Fingersättningsprocess. Det streckade området är det mottagande substratet, den prickade remsan är tejpen, och det skuggade området däremellan är det adhesiva kemikalieskiktet. Pilen anger sprickans utbredningsriktning.

Strängning är kanske den mest avgörande av dessa effekter, och ses ofta på tejp. Strängning uppstår när en separation av två ytor börjar och molekyler vid gränssnittet överbryggar över gapet, snarare än att spricka som själva gränssnittet. Den mest betydande konsekvensen av denna effekt är sprickans begränsning. Genom att förse de annars spröda gränsytbindningarna med viss flexibilitet, kan molekylerna som tränger sig över gapet stoppa sprickan från att fortplanta sig. Ett annat sätt att förstå detta fenomen är att jämföra det med spänningskoncentrationen vid den tidpunkt då felet nämndes tidigare. Eftersom spänningen nu är utspridd över något område, har spänningen vid varje given punkt mindre chans att överväldiga den totala vidhäftningskraften mellan ytorna. Om fel inträffar vid ett gränssnitt som innehåller ett viskoelastiskt adhesivmedel, och en spricka sprider sig, sker det genom en gradvis process som kallas "fingersättning", snarare än en snabb, spröd fraktur. Strängning kan gälla både den diffusiva bindningsregimen och den kemiska bindningsregimen. Strängarna av molekyler som överbryggar mellanrummet skulle antingen vara de molekyler som tidigare hade diffunderat över gränsytan eller det viskoelastiska bindemedlet, förutsatt att det fanns en betydande volym av det vid gränsytan.

Mikrostrukturer

Samspelet mellan mekanismer i molekylär skala och hierarkiska ytstrukturer är känt för att resultera i höga nivåer av statisk friktion och bindning mellan par av ytor. Teknologiskt avancerade limanordningar använder ibland mikrostrukturer på ytor, såsom tätt packade periodiska stolpar. Dessa är biomimetiska teknologier inspirerade av vidhäftningsförmågan hos fötterna hos olika leddjur och ryggradsdjur (främst geckos ). Genom att blanda periodiska brytningar till släta, vidhäftande ytor, får gränsytan värdefulla sprickskyddande egenskaper. Eftersom sprickinitiering kräver mycket större spänning än sprickutbredning, är ytor som dessa mycket svårare att separera, eftersom en ny spricka måste startas om varje gång nästa individuella mikrostruktur nås.

Hysteres

Hysteres , i det här fallet, hänvisar till omstruktureringen av det adhesiva gränssnittet under en viss tidsperiod, med resultatet att det arbete som krävs för att separera två ytor är större än det arbete som uppnåddes genom att sammanföra dem (W > γ ₁ + y2 ) _. För det mesta är detta ett fenomen förknippat med diffusiv bindning. Ju mer tid som ges för ett par ytor som uppvisar diffusiv bindning att omstrukturera, desto mer diffusion kommer att ske, desto starkare blir vidhäftningen. Ovannämnda reaktion av vissa polymer-på-polymer-ytor på ultraviolett strålning och syrgas är ett exempel på hysteres, men det kommer också att ske med tiden utan dessa faktorer.

Förutom att kunna observera hysteres genom att avgöra om W > γ ₁ + γ ₂ är sant, kan man också hitta bevis på det genom att utföra "stopp-start"-mätningar. I dessa experiment glider två ytor mot varandra kontinuerligt och stannade ibland under en viss tid. Resultat från experiment på polymer-på-polymer-ytor visar att om stopptiden är tillräckligt kort är det lätt att återuppta jämn glidning. Om emellertid stopptiden överskrider någon gräns, sker en initial ökning av motståndet mot rörelse, vilket indikerar att stopptiden var tillräcklig för att ytorna skulle strukturera om.

Vätbarhet och absorption

Vissa atmosfäriska effekter på funktionaliteten hos adhesiva enheter kan karakteriseras genom att följa teorin om ytenergi och gränsytspänning . Det är känt att y12 ₌ (1/2)W121 ₌ (1/2) _W212 . Om γ ₁₂ är hög, så finner varje art att det är gynnsamt att sammanhänga medan de är i kontakt med en främmande art, snarare än att dissociera och blanda sig med den andra. Om detta är sant, så följer det att när gränsytspänningen är hög är vidhäftningskraften svag, eftersom varje art inte finner det fördelaktigt att binda till den andra. Gränsytans spänning hos en vätska och ett fast ämne är direkt relaterat till vätskans vätbarhet (relativt till den fasta substansen), och därmed kan man extrapolera att kohesionen ökar i icke-vätande vätskor och minskar i vätande vätskor. Ett exempel som verifierar detta är polydimetylsiloxangummi , som har en självhäftningsförmåga på 43,6 mJ/m ² i luft, 74 mJ/m ² i vatten (en icke-vätande vätska) och 6 mJ/m ² i metanol (en vätning). flytande).

Detta argument kan utvidgas till idén att när en yta är i ett medium med vilket bindningen är gynnsam, kommer den att vara mindre sannolikt att den fäster till en annan yta, eftersom mediet tar upp de potentiella platserna på ytan som annars skulle vara tillgängliga att fästa på en annan yta. Naturligtvis gäller detta mycket starkt för vätskor, men även för gasmolekyler som kan adsorberas på den aktuella ytan och därigenom uppta potentiella vidhäftningsställen. Den sista punkten är faktiskt ganska intuitiv: Om ett lim utsätts för luft för länge blir det smutsigt, och dess vidhäftningsstyrka kommer att minska. Detta observeras i experimentet: när glimmer klyvs i luft är dess klyvningsenergi, W ₁₂₁ eller W _{glimmer/luft/glimmer} , mindre än klyvningsenergin i vakuum, W _{glimmer/vac/glimmer} , med en faktor 13.

Sidadhesion

Lateral vidhäftning är den vidhäftning som är associerad med att ett föremål glider på ett underlag, såsom att glida en droppe på en yta. När de två föremålen är fasta, antingen med eller utan vätska mellan dem, beskrivs den laterala vidhäftningen som friktion . Emellertid skiljer sig beteendet hos lateral adhesion mellan en droppe och en yta tribologiskt mycket från friktion mellan fasta ämnen, och den naturligt adhesiva kontakten mellan en plan yta och en vätskedroppe gör den laterala adhesionen i detta fall till ett individuellt fält. Lateral adhesion kan mätas med hjälp av centrifugal adhesion balance (CAB), som använder en kombination av centrifugal- och gravitationskrafter för att frikoppla normal- och lateralkrafterna i problemet.

Se även

Vidare läsning

John Comyn, Adhesion Science , Royal Society of Chemistry Pocketböcker, 1997
AJ Kinloch, Adhesion and Adhesives: Science and Technology , Chapman och Hall, 1987