Il existe des domaines de connaissance qui "ne peuvent pas être mesurés avec un arshin commun ...". En principe, dans mon domaine «domestique», la chimie des colloïdes, sous cette direction vous pouvez placer en toute sécurité tout concept fondamental, que ce soit l'adsorption (avec des adsorbants) ou l'adhésion (avec des adhésifs). Honnêtement, je n'avais aucune idée d'écrire sur la colle. Mais lorsque les lecteurs de chaque sujet lié aux polymères commencent à demander à parler des adhésifs - vous y réfléchirez involontairement (enfin, bien sûr, je veux parer sur «tout doit être collé avec de la super-colle»). L'adhésion et les adhésifs sont un sujet très large, j'ai donc décidé de m'y attaquer, mais de diviser l'histoire en plusieurs parties. Aujourd'hui, la première partie est une introduction d'information. Pour savoir à quoi colle l'adhésif, quel type d'adhésif et quel type de colle est le mieux adapté pour le collage _____ (entrez ce dont vous avez besoin), nous allons traditionnellement sous la coupe (et le mettons dans les signets).
Avant de commencer mon histoire, je voudrais faire une petite dédicace:
Chimiste colloïdal de la mémoireMon responsable de la pratique de la remise des diplômes aimait répondre aux attaques de mes collègues «il n'y a plus d'élèves sensés maintenant ...» avec la phrase «il n'y a pas de mauvais élèves, il y a un professeur qui prend sa mauvaise place». De plus en plus, je suis d'accord avec cette phrase. Les étudiants ressentent la sincérité et la maîtrise du sujet et «votent» avec respect et assiduité.
La science biélorusse, après l'effondrement de l'URSS, est généralement devenue une chose en soi, étrange et parfois même sauvage. Il n'est pas surprenant que de nombreux universitaires biélorusses, en règle générale, soient «largement connus dans des cercles étroits», des personnes non publiques, etc. Même si le travail était intéressant. Mais le plus souvent, des informations biographiques sèches sur une mise en page maison du site html de l'institut ne peuvent même pas dire approximativement ce qu'était la personne. Ainsi, le docteur en sciences chimiques, le professeur
Thomas Fomich Mozheiko était un homme spécial. Sans fausse modestie, on peut dire que l'ensemble du Soligorsk Klondike a été construit à l'aide de ses mains et d'une tête brillante. J'ai eu la chance de rencontrer cette personne pour la première fois lors du passage du candidat minimum en chimie des colloïdes, après quoi nous avons commencé à communiquer étroitement, de manière amicale. Étant donné que les étudiants de troisième cycle de notre institut de recherche n'étaient absolument pas capables, cela m'a impressionné ... et, peut-être, grâce à une rencontre avec ce grand-père qui a pu brièvement expliquer l'essence du processus le plus compliqué et convaincre que notre espace commun - la reine de la chimie, j'écris un article chimique sur Habr maintenant, et je ne frotte pas mon pantalon pour le développement ou les tests ... Donc, en toute honnêteté, tous les articles de sujets colloïdes devraient être avec une remarque "à la mémoire de F.F. Mozheiko », parce que c'était cet homme qui était l'un de mes maîtres. Bonne mémoire à toi, F.F.!
La colle est utilisée par l'homme depuis l'Antiquité, on peut considérer que dès qu'un homme primitif a collé la pointe en silicone de sa lance au poteau avec du bitume ou de la résine de pin, le décompte de la pratique du collage a commencé. Dans l'Antiquité, tout ce qui arrivait était utilisé comme colle. Le plus souvent, on a utilisé des produits d'origine animale qui possédaient initialement des propriétés collantes (écailles de poisson, veines animales, etc. substances, après traitement thermique). Il convient de noter qu'il existe des domaines dans lesquels les adhésifs organiques sont encore activement utilisés. Colle de menuisier, colle de caséine, pâte de papier peint. Malgré l'abondance d'adhésifs synthétiques (= adhésifs chimiques), ces options sont toujours en ordre et occupent fermement leur niche d'adhésifs écologiques et bon marché. Soit dit en passant, de nombreux adhésifs modernes sont appelés résines synthétiques uniquement en l'honneur du fait que la résine (une substance adhésive présente dans les pins et autres plantes) a été l'un des premiers adhésifs largement utilisés.
Tout le concept de collage repose sur deux phénomènes fondamentaux de la chimie colloïdale - l'
adhésion et la cohésion (d'accord, trois, toujours tension superficielle).
L'adhésion (du latin adhaesio - coller) en physique est l'adhésion de surfaces de solides et / ou de liquides différents. L'adhésion est due aux interactions intermoléculaires dans la couche de surface et se caractérise par le travail spécifique requis pour séparer les surfaces.
Le concept de cohésion est lié à la fois au son et au sens de l'adhésion, ce que certaines personnes aiment parfois confondre.
Ne confondez pas l'adhésion avec la cohésion... ce qui est la raison de l'existence des choses dans l'état dans lequel nous sommes habitués à les voir (c'est-à-dire sous forme de morceaux, de gouttes, etc., et non dispersés dans les molécules). Ce phénomène est appelé
cohésion :
La cohésion (eng. Cohésion du lat. Cohaesus - «connecté», «lié») est la connexion entre les mêmes molécules (atomes, ions) à l'intérieur du corps dans la même phase. La cohésion caractérise la force du corps et sa capacité à résister aux influences extérieures. La cohésion est une action ou une propriété d'attraction mutuelle de molécules identiques. Il s'agit d'une propriété interne d'une substance en raison de la forme ou de la structure de ses molécules, provoquant un changement dans la distribution des électrons des molécules lorsqu'elles se rapprochent, créant une attraction électrique qui peut former des structures microscopiques.
La différence entre ces concepts fondamentaux de la chimie colloïdale est mieux illustrée par l'exemple des gouttelettes d'eau qui se forment sur une vitre pendant la pluie.
L'image montre la confrontation des «éléments», chacun d'entre eux est engagé dans sa propre entreprise de former notre image habituelle du monde. La forme de la goutte donne la
tension superficielle . La force de gravité (gravité) - tire une goutte vers le bas, vidange du verre. Cette force inexorable est combattue ensemble par les forces d'adhésion et de cohésion. La cohésion est la première à se manifester, car elle se produit déjà dans la goutte d'eau. Les molécules voisines se collent et forment les gouttes mêmes, qui glissent ensuite de manière pittoresque le long du verre. La cohésion lie des molécules uniques en ensembles. Mais l'adhérence attache les ensembles sous forme de gouttes au verre, les fait s'accrocher au verre, «tire vers le haut», les forçant à résister au mouvement sous leur propre poids. De plus, la cohésion est plus forte que l'adhérence, sinon des gouttes ne pourraient pas se former, c'est-à-dire l'eau de pluie se répandrait tout simplement uniformément sur le verre, formant une sorte de film d'huile sur l'eau. Soit dit en passant, en observant attentivement le verre pendant la pluie, vous pouvez voir que les gouttes roulent sur les "voies d'eau" déjà existantes. Cela est dû au fait que les gouttes d'eau qui tombent en raison des forces de cohésion tentent de coller à l'eau qui est déjà là, et non au verre. Soit dit en passant, les chemins mentionnés sont formés du fait que lorsque des gouttes tombent sur la fenêtre, les molécules d'eau se détachent des gouttes qui passent et sont capturées par le verre.
Qu'est-ce que tout cela a à voir avec les adhésifs? Et le plus direct. L'adhérence et la cohésion sont les principaux facteurs actifs des adhésifs. Supposons que vous vouliez connecter deux morceaux de bois, A et B, à l'aide de la colle B. Ici, vous avez besoin de trois forces différentes: les forces d'adhérence qui peuvent contenir A et B + les forces d'adhésion tenant B et B + les forces d'adhésion qui retiennent l'adhésif B.
Si tout est clair avec les deux premières forces, alors je donnerai une petite explication sur ces dernières. Le meilleur exemple est deux morceaux de pain collés avec de la confiture ou de la confiture. La confiture est une colle naturelle classique (j'en dirai quelques mots plus tard) à base de sucre et d'eau. De plus, c'est assez efficace. Lorsque vous utilisez du pain assez fort (ou des craquelins) et la bonne confiture «mère», il est tout à fait réaliste de tenir deux morceaux ensemble, en lubrifiant un seul coin. Une bonne confiture a des forces de cohésion interne assez fortes (par conséquent, il est difficile de la retirer de la boîte, en particulier la poire), mais l'adhérence aux autres surfaces est également excellente. Par conséquent, il est difficile de casser un sandwich collé sans détruire le pain (cela se produit le plus souvent si vous déplacez les couches sur le côté et n'appliquez pas de force perpendiculairement). Mais si la confiture «a un noyau cohésif intérieur faible», peu importe à quel point elle adhère au pain. Deux moitiés ne pourront pas coller ensemble et s'effondreront sous l'influence de la gravité.
Un autre exemple antagoniste: l'eau et un morceau de fer. Cet objet et d'autres objets - dans des conditions normales sont très mal adaptés au collage, mais pour diverses raisons. Eau - parce que ses forces d'adhésion sont élevées et adhère bien à n'importe quelle surface, mais en raison de forces de cohésion très faibles, ces surfaces ne sont pas bien liées et faciles à séparer. Dans un morceau de fer, au contraire, il y a des interactions cohésives incroyablement fortes (responsables de la liaison des atomes), et c'est tellement une «chose en soi» qu'il est presque impossible d'atteindre l'adhésion à tout autre matériau externe. Le test des forces de cohésion internes peut être la possibilité de diviser le matériau en morceaux. Un «morceau» d'eau peut facilement être séparé de la masse totale avec un doigt / cuillère, etc., et essayez de séparer un morceau de fonte avec votre doigt :).
De ce qui précède, la conclusion est que dans la nature de la colle, la force principale de cohésion est la principale, et dans la nature du collage est la force d'adhérence. Étant donné que les adhésifs, en règle générale, sont des substances assez spécifiques, dont l'efficacité a été testée par de nombreuses générations, je me concentrerai sur le phénomène d'adhésion (l'adhésif, d'ailleurs, peut également être appelé adhésif). À ce jour, plusieurs théories concurrentes / complémentaires ont été développées qui tentent d'expliquer l'apparition du phénomène d'adhésion:
Malgré l'abondance d'équipements, il n'y a toujours pas de réponse unique à la question "qu'est-ce qui fait coller la colle?" Mais ce n'est pas si surprenant quand on considère le nombre de types de colle différents et le nombre de façons différentes de les utiliser. On pense que pour chaque colle individuelle et pour chaque surface individuelle sur laquelle elle est utilisée, il existe une combinaison individuelle de différents facteurs qui maintiennent ces objets ensemble. Le processus d'étude des processus de collage se poursuit aujourd'hui, car même au 21e siècle, lorsque «les vaisseaux spatiaux sillonnent ...», nous ne comprenons toujours pas parfaitement ce qui fait que les substances adhèrent les unes aux autres. Par conséquent, nous devons opérer avec des hypothèses et des généralisations. Compte tenu de ceux-ci, il s'avère qu'il existe quatre principaux mécanismes de liaison possibles: par adsorption, chimisorption, fixation mécanique et diffusion.
L'adsorption est l'effet de l'adhérence des surfaces les unes aux autres en raison de forces d'attraction ultra-petites (les forces dites de Van der Waals (au fait, le lecteur
cck7777 a mentionné qu'il serait plus correct de dire «fan der» comme dans
de Nederlandse taal ), un nom commun pour tout le monde forces intermoléculaires). De plus, ces forces sont subdivisées en
forces d' interaction électrostatique (
forces de Kizom entre les dipôles moléculaires constants), forces de polarisation (
forces de Debye intermoléculaires entre les dipôles constants et induits) et
forces d' interaction de dispersion (
forces de Londres entre les dipôles induits instantanément). Dipôle = deux charges, de même ampleur et de signe opposé, situées à distance l'une de l'autre, très petites par rapport à la distance jusqu'au point d'observation. Eh bien, alors "attirés par le contraire, etc.". Sur cela, tout l'électrostatique repose (et avec lui tous les adhésifs). Les forces d'interaction intermoléculaire, d'ailleurs, apparaissent lorsque les participants (atomes et molécules) sont à une distance très proche (moins de 1 nm).
Lors de l'application de la colle, la surface des pièces à coller est mouillée et les objets collent les uns aux autres. Pour que l'adhésif fonctionne, les surfaces doivent être dégraissées autant que possible (pour que l'adhésif se répande sur la surface) et l'adhésif doit être réparti uniformément avec une couche mince. En fait, ce processus rappelle l'adhérence de millions d'aimants microscopiques (qui comprennent des molécules adhésives et des molécules de matériaux à coller).
Une petite remarque sur des surfaces parfaitement lissesUn artefact adhésif intéressant peut être considéré comme un
gecko . Il s'agit d'un lézard qui peut facilement se déplacer sur diverses surfaces verticales (en termes marveliens «comme un araignée»). Même Aristote se livrait à des pensées oiseuses sur la cause de ce phénomène. Les scientifiques modernes étudient cette question depuis longtemps, abandonnant progressivement la théorie du vide (= les bâtons en raison de la différence de pression), la théorie de la colle biologique (= libère la substance adhésive), etc. En conséquence, nous nous sommes installés sur les interactions électrostatiques (causées par l'électrification par contact), et non sur les forces de van der Waals ou capillaires. La cause du phénomène était les
poils , couvrant des millions de chacune des jambes. La longueur de chaque poil est d'environ 0,1 mm (deux épaisseurs de cheveux humains). Pour chaque millimètre, les pattes carrées représentent jusqu'à 14400 soies (~ 1,5 million par cm
2 ). Chaque extrémité de poils diverge en 400-1000 branches et chaque branche se termine à l'extrémité avec une plaque triangulaire de 0,2 micromètre de large. C'est-à-dire Un pied gecko d'une superficie d'environ un centimètre carré est en contact avec une surface d'environ deux milliards de terminaisons.
B. Photographie de poils de gecko. B. Photo d'un poil de gecko. D. Photographie de la branche au bout des poils.
Des études récentes montrent que c'est précisément cette géométrie du pied et les forces électrostatiques associées (multipliées par des milliards de terminaisons) qui s'ajoutent à un résultat qui peut maintenir le poids du gecko au plafond.
Lecteur Rikkitik :
À propos de la matière qui imite les pattes d'un gecko, voici l'
article de 2016. En bref - le plus curieux n'était pas de savoir comment coller, mais comment déchirer sans perdre de fonctionnalité, c'est-à-dire pour atteindre la réutilisabilité de la connexion.
Il semblerait que des exigences mutuellement exclusives soient imposées aux villosités - les chercheurs l'ont rencontré au début du 21e siècle. Les villosités doivent être minces pour pénétrer les plus petits trous et creux, et en même temps solides, afin de ne pas se détacher de la semelle à chaque pas. Ils doivent être souples et relativement faciles à étirer pour atteindre les saillies d'une surface rugueuse complexe, et en même temps pas trop faciles à séparer de cette surface, et ne pas atteindre derrière la semelle comme du chewing-gum.
Les structures artificielles de ces villosités devraient être aussi stables que possible, ne pas se détacher du pied et résister à un grand nombre (jusqu'à un million) de cycles de collage-détachement. L'espace entre les villosités ne doit pas être trop contaminé par la poussière collectée à la surface, et les villosités elles-mêmes ne doivent pas coller ensemble, car les deux réduisent fortement leur capacité à s'adapter à une surface complexe.
Il serait surprenant que l'armée n'ait pas profité de tout cela. En mai 2014, DARPA a présenté son développement de
Geckskin (projet Z-Man), un appareil portatif qui permet le mouvement sur des surfaces verticales.
Certes, cinq ans se sont écoulés, mais pour une raison quelconque, on n'entend rien sur Geckskin. Peut-être parce qu'elle est classée, et peut-être parce qu'il n'y a pas de résultat.
Les geckos et Darpa sont tous quelque part avec eux. Et ici, une surface parfaitement rectifiée peut être la meilleure illustration des forces des interactions intermoléculaires. Chaque opérateur de machine de tournage et de fraisage devrait connaître une chose telle que les carreaux Johanson, ou les
mesures de longueur plan-parallèle . Ces carreaux sont polis et meulés de telle manière qu'ils adhèrent assez fortement s'ils sont placés avec des bords lisses les uns aux autres. Dans l'image, trente-six tuiles sont maintenues ensemble par la pression atmosphérique
et les forces de Van der Waals ensemble:
Pour ceux qui ne croient pas que cela soit possible - je recommande de regarder une démonstration visuelle (cliquable):
L'adsorption est implacablement suivie d'une chimisorption, mais malgré la similitude des noms, l'essence des phénomènes est radicalement différente. Chimisorption - l'adhésion est réalisée en raison de la formation de liaisons chimiques entre l'adhésif et les substances collées. En fait, le collage produit un nouveau produit chimique. Pendant la diffusion, la liaison se produit en raison de la pénétration mutuelle des molécules matérielles les unes dans les autres. Les molécules de colle se mélangent aux molécules des surfaces collées et forment une liaison forte. Et enfin, l'adhésion mécanique se produit lorsque la colle pénètre dans les microfissures et les cavités des matériaux et leur rétention physique ultérieure. À des fins d'illustration, les valeurs numériques des énergies pour diverses forces se produisant pendant la liaison sont affichées dans l'image.
De toute évidence, la meilleure adhérence se forme dans le cas d'une interaction de chimisorption entre les substances collées, bien que cela ne soit pas toujours possible à réaliser (mais un effort est nécessaire).
Variétés d'adhésifs
De tout ce qui précède, il s'ensuit que toute colle exploitera l'un ou l'autre principe décrit ci-dessus. De plus, dans le cas des adhésifs, comme dans le cas des geckos, les chercheurs, eux aussi, n'ont généralement pas d'opinion commune. Mais cela, en principe, n'est pas si important, car une expérience pratique suffisamment sérieuse a été accumulée pour vous permettre de sélectionner facilement les adhésifs optimaux et les adhésifs pour toute la variété des matériaux. Il existe de nombreuses divisions de substances adhésives, je donnerai les plus simples, en fonction de leur nature chimique:
En outre, je voudrais noter le fait qu'à ce jour, nous exploitons principalement activement le développement d'il y a près de cent ans. Jugez par vous-même dans une brève chronologie:années 20 : adhésifs à base d'esters de cellulose, résines alkydes, caoutchouc cyclisé, polychloroprène (néoprène), adhésifs sojaannées 30 : invention d'urée-formaldéhyde, rubans adhésifs sensibles à la pression, films adhésifs à base de résines phénoliques, adhésifs poly (acétate de vinyle) (PVA) pour le bois desannées 40 : nitrile synthétisé phénol, caoutchouc chloré, mélamine formaldéhyde , vinyl phénolique et polyuréthanes acryliquesannées 50 : époxydes, cyanoacrylates, adhésifs anaérobies1960années: polyimides, polybenzimidazole, polyquinoxaline ont été introduits1970 : adhésifs acryliques de deuxième génération, acryliques sensibles à la pression, polyuréthannes structuraux ont été introduits1980 : développement actif d'épaississants pour résines thermodurcissables, résines époxy hydrosolubles, adhésifs de contact, moulables et adhésifs thermofusibles moussés1990 : résine époxy modifiée au polyuréthane, matériaux thermoplastiques durcissables sont présentés, adhésifs durcissables par UV et lumière visible sont proposés2000 : synthétisés pour lei à base d'eau, les adhésifs sans solvant à un et deux composants sont activement développésDans la plupart des cas, les polymères sont utilisés comme adhésifs synthétiques, je recommande donc de lire deux de mes articles thématiques en cours de route ( lettre du chimiste à l'imprimante 3D. Solvants pour les plastiques et protection contre eux + Nous renvoyons la volaille ou RTFM fille par définition des plastiques à la maison ), même si afin de vous habituer à la terminologie "polymère" et de consulter les informations de base sur les polymères.Aujourd'hui, le développement principal des compositions adhésives "sur mesure" est en passe d'augmenter le respect de l'environnement (souvent, au fait, au détriment de la force de liaison). Les composés structurels et industriels ne sont pas particulièrement sensibles à cela, mais généralement, des options traditionnelles et éprouvées sont toujours utilisées là-bas. Donc, nous regardons dans le tableau ci-dessous nos matériaux d'assemblage et nous souvenons du type de colle dont nous avons besoin.Bonus - un examen comparatif des caractéristiques de résistance de divers types d'adhésifs. Parfois c'est utile :)Une comparaison claire des caractéristiques de résistance des composés obtenus à l'aide de différents types d'adhésifs
Signatures: CA-cyanoacrylates, adhésifs MS à base de silane modifié, adhésifs PU-polyuréthane, adhésifs MMA méthacrylate de méthyle, adhésifs durcissables aux UV À ce sujet, la partie introductive est terminée, dans ce qui suit - nous allons procéder à l'examen des types spécifiques de colle et des conditions / matériaux optimaux pour son utilisation. Posez dans les commentaires les questions qui vous concernent - puis dans la partie suivante la probabilité d'apparition de réponses est élevée.NB Suite du thème:Opus sur Sa Majesté Clay. Deuxième partie - Viva, cyanoacrylate! Viva, super glueOpusa sur Sa Majesté Clay. Troisième partie - Polyuréthane vs Space ColdOpusa à propos de Sa Majesté Clay. Quatrième partie - SiliconesLe prochain article dépendra-t-il de la communauté Habr, pour
subj .
Important!Toutes les mises à jour et notes provisoires à partir desquelles les habr-articles sont correctement formés peuvent maintenant être vues dans mon laboratoire de télégramme66 . Abonnez-vous pour ne pas vous attendre au prochain article, mais pour être immédiatement au courant de toutes les recherches :)Littérature utiliséeHandbook of Rubber Bonding, Ed., B. Crowther, Rapra Technology Ltd, Shrewsbury, UK, 2000.
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