Adhezija
Straipsnis iš OdontologijaWiki.
Adhezija yra jėga, kuri jungia dvi skirtingų rušių medžiagas, esančias arti viena kitos. Adhezija skiriasi nuo kohezijos, kuri yra traukos jėga tarp vienodų atomų ar molekulių toje pačioje medžiagoje.
Turinys |
Adhezijos pagrindai
Adhezija tarp kietų kūnų
Molekuliniame lygmenyje visos medžiagos yra nelygios (gruoblėtos). Tai reiškia, kad kontakto metu jos kontaktuos tik tam tikromis vietomis (iškilimais jų paviršiuose) (Pav. Kontaktas tarp dviejų kietų paviršių mikroskopiniame lygyje). Šiuose taškuose susidaro labai didelis spaudimas ir, jei medžiagų paviršiai yra švarūs, pasireiškia lokalios adhezijos efektas. Mėgindami vieną medžiagą stumti kitos paviršiumi, mes juntame pasipriešinimą, vadinamą trintimi. Lokalios adhezijos tvirtumas yra toks didelis, kad paprastai ryšys nutrūksta ne per kontakto vietą, bet viduje pačios medžiagos. Norint, kad susidarytų pakankama adhezija tarp dviejų kūnų, reikia, kad atstumas tarp jų molekulių būtų itin mažas. Kietų kūnų atveju pasiekti itin mažo atstumo tarp molekulių dideliame plote yra neįmanoma, todėl adhezija yra silpna, nors trinties jėga gali būti labai didelė. Tačiau pasiekti stiprios adhezijos galima trečios medžiagos, talpinamos tarp pirmų dviejų, dėka. Tokia medžiaga vadinama adhezyvu, paprastai ji yra skysta arba pusiau skysta.
Adhezija tarp kieto kūno ir skysčio
Tarp kieto kūno ir skysčio taip pat susidaro adhezija. Vandens lašas gana gerai laikosi ant stiklinio pagaliuko galo, ką nulemia tarpmolekulinės traukos jėgos (van der Waals'o jėgos). Visą vandenį pašalinti nuo pagaliuko itin sunkų net ir intensyviai kratant pastarąjį, kas parodo, kad šiuo atveju adhezija yra gana stipri. Šiuo atveju, skysčio ir kieto kūno kontakto paviršius yra gerokai didesnis, nei kietų kūnų kontaktinis paviršius, kur kontaktuoja tik tam tikri paviršių taškai. Artimas dviejų medžiagų kontaktas dideliu paviršiaus plotu yra esminė sąlyga stipriai adhezijai.
Adhezijos kriterijai
Drėkinamumas
Tam, kad adhezyvas sudarytų tvirtą ryšį tarp dviejų medžiagų, jis turi kuo glaudžiau kontaktuoti su substratų paviršiais. Adhezyvo kontaktą su substrato paviršiumi nulemia fizikinis dydis, vadinamas drėkinamumu. Gerą adheziją nulemia tik tie adhezyvai, kurie pasižymi geromis drėkinamomis savybėmis. Buityje gero drėkinamumo pavyzdys galėtų būti muilinas vanduo odos atžvilgiu. Politetrafluoretilenas (teflonas) yra itin prastai vandens drėkinama medžiaga, todėl naudojamas keptuvių dugnui padengti, siekiant išvengti maisto produktų pridegimo (Pav. Kieto kūno paviršiaus drėkinimo skysčiu pobūdis).
Paviršiaus energija
- Plačiau: Paviršiaus įtempimas
Kietame kūne arba skystyje molekulės yra pasiskirsčiusios taip, kad kiekviena jų yra dinaminėje pusiausvyroje su gretimomis molekulėmis. Tačiau dinaminė pusiausvyra kieto kūno ar skysčio paviršiuje sutrinka ir tai sukelia molekulės trauką link medžiagos vidaus, prie kitų molekulių. Šių traukos jėgų poveikis sukelia energijos, vadinamos paviršine energija, susidarymą kūno paviršiuje. Skysčių paviršiuje susidaranti energija vadinama paviršiniu įtempimu.
Paviršiaus įtempimo jėgos poveikyje, skystis stengiasi įgauti sferinį paviršių. Tai yra todėl, kad sfera yra pačio mažiausio paviršiaus ploto forma bet kuriam tūriui ir turi pačią mažiausią paviršiaus energiją, kas sumažina suminę skysčio energiją iki minimumo.
Tuo tarpu, kai skysčio paviršiaus energija (įtempimas) yra realus skysčio paviršiaus energiją parodantis dydis, kieto kūno paviršiaus energija susijusi su darbu, kuris reikalingas ištempti kieto kūno paviršių, bet ne tam tikros formos pridavimui. Įvertinti kieto kūno paviršiaus energiją yra gerokai sunkiau, negu skysčio. Ją nustatyti padeda dydis, vadinamas kontaktiniu kampu.
Kontaktinis kampas
Kontaktuojant skysčiui su kietu kūnu, tarp jų paviršių susidaro kontaktinis kampas (Pav. Kontaktinis kampas tarp skysčio ir kieto kūno paviršių). Jo dydį nulemia skysčio paviršinis įtempimas ir paviršinė kieto kūno energija. Kontaktinis kampas leidžia įvertinti skysčio savybes drėkinti tam tikro kieto kūno paviršių. Idealaus drėkinimo atveju kontaktinis kampas turėtų būti lygus 0; tokiu atveju skystis pilnai padengs kieto kūno paviršių, kas nulems maksimalų adhezijos dydį.
Skystis su mažu paviršiaus įtempimu gerai drėkins kietą kuną su didele paviršiaus energija. Tefloną, kurio paviršiaus energija yra labai maža, sudrėkinti yra itin sunku butent dėl to, kad labai sunku rasti tokį skystį, kurio paviršiaus įtempimas būtų mažesnis, nei teflono paviršiaus energija. Odontologijoje mažą paviršiaus energija turi silikonai kietame pavidale, tačiau nepolimerizuoti ir skysti jie drėkina įvairius paviršius dėka savo mažos paviršiaus energijos.
Paviršiaus energijų dydžiai (x10-3 J·m-2):
- Metileno chloridas - 16;
- Teflonas - 18;
- Stiklas - 20;
- Etanolis - 24;
- Vanduo - 73;
- Plienas - 230;
- Gyvsidabris - 488.
Klampumas
Adhezyvas turi sugebėti ne tik artimai kontaktuoti su substrato paviršiumi, tačiau ir lengvai pasiskirstyti pastarojo paviršiumi. Pasiskirstymą substrato paviršiumi nulemia adhezyvo drėkinamumas; klampumas riboja pasiskirstymą paviršiumi. Klampumas neturi būti didelis, kadangi tai trukdys adhezyvo tolygiam pasiskirstymui danties paviršiumi ir neleis patekti į siaurus plyšius.
Klampumas ir kontaktinio kampo dydis yra tiesiogiai susiję vienas su kitu, tačiau tik tuomet, jei adhezyve nėra tirpiklio su papildomom medžiagom. Jei naudojami tirpikliai su mažu paviršiaus įtempimu, kuriose ištirpintos didelio klampumo medžiagos, aukščiau išsakytas teiginys bus neteisingas. Tuomet, nepaisant mažo kontaktinio kampo, klampumas neleis adhezyvui plačiai pasklisti substrato paviršiumi. Analogiškai, medžiagos su dideliu užpildo kiekiu, tokios, kaip polimeriniai kompozitai, sunkiai pasklis substrato paviršiumi, kas gali sudaryti klaidingą nuomonę apie šių medžiagų aukštą paviršiaus įtempimą ir blogą drėkinamumą. Tačiau, substratas kontaktuos tik su žemo klampumo polimeru, kuris, pasižymėdamas žemu paviršiaus įtempimu, nesunkiai sudrėkins paviršių. Polimerinio kompozito pasiskirstymą ribos tik užpildo dalelių kietumas, bet ne polimerinės matricos nesugėbėjimas drėkinti paviršių.
Substrato paviršiaus morfologija
Kontaktinio kampo sąvoka naudojama tik teoriniu atveju, teigiant, jog substrato paviršius yra idealiai lygus. Danties paviršius mikroskopiniams lygyje yra labai gruoblėtas, o tai turi savų pranašumų ir trūkumų. Esminis gruoblėto paviršiaus pranašumas yra paviršiaus ploto padidėjimas bei mikromechaninių užsilaikymo taškų susidarymo galimybė. Vienas iš pagrindinių trūkumų - oro "pagavimas" mikronelygumuose, mažinantis efektyvaus adhezinio paviršiaus plotą.
Didelio klampumo adhezyvai linkę "gaudyti" orą, kadangi jie sunkiau patenka į paviršiaus nelygumus, formuodami tarsi tiltus virš nelygumų. Adhezyvui patekti į paviršiaus nelygumus būtinas didelis paviršiaus įtempimas, tačiau paviršiaus įtempimas negali būti itin didelis, nes adhezyvas blogai drėkins paviršių. Dėl šių priežasčių, tokios adhezyvo fizikinės savybės, kaip paviršiaus įtempimas, turi būti gana tiksliai numatytos.
Adhezijos mechanizmai
Adhezinis ryšys gali būti mechaninis, fizinis arba cheminis, tačiau, paprastai tai šių ryšių kombinacija.
Mechaninė adhezija
Tai yra pati paprasčiausia adhezijos rūšis, kuomet adhezyvo komponentai su substratu sukimba dėl paviršiaus nelygumų, tokių, kaip įdubimai, plyšiai, įtrūkimai ir kt. Šios adhezijos rūšies esminis momentas yra adhezyvo sugėbėjimas patekti į substrato nelygumus ir ten sukietėti. Adhezyvo patekimą į substrato paviršiaus nelygumus nulemia šių medžiagų paviršinės energijos. Idealiu atveju yra pilnas substrato drėkinamumas adhezyvu. Mechaninis ryšys, susidaręs adhezyvui įtekėjus į paviršiaus nelygumus su neigiamais kampais ir ten sukietėjus, gali būti suardytas tik suardžius adhezyvą.
Mechaninė adhezija, skirtingai nuo fizinės ir cheminės adhezijos, susidaro be tarpmolekulinių sąveikų. Dėl šios priežasties ji nėra laikoma tikrąja adhezija, kokios yra fizinė ir cheminė.
Fizinė adhezija
Esant artimam dviejų paviršių kontaktui, atsiranda antriniai ryšiai tarp polinių molekulių. Susidariusio ryšio stirpumas yra labai nedidelis, palyginti su kovalentiniu ir joniniu ryšiu. Ryšio energijos dydį nulemia dipolinių molekulių erdvinė orientacija; paprastai energijos dydis neviršija 0,2 eV, tuomet kaip kovalentinio ir joninio ryšio energija yra 2-6 eV. Dėl dipolinės sąveikos susidarantys antriniai ryšiai formuojasi labai greitai, tačiau jie yra grįžtamo pobūdžio, nes medžiagų paviršiaus molekulės nėra chemiškai pakitusios. Šis ryšys lengvai suyra temperatūros poveikyje ir juo negalima pasitikėti tuomet, kai reikalingas nuolatinis ir patikimas sujungimas.
Cheminė adhezija
Cheminis adhezinis ryšys susidaro tuomet, kai po adsorbcijos ant paviršiaus, medžiagų molekulės sudaro tarpusavyje kovalentinį ar joninį ryšį. Cheminis ryšys skiriasi nuo fizinio tuo, kad gretimi atomai turi bendrą elektronų porą. Norint, kad adhezyvas ir substratas sudarytų cheminį ryšį, reikia, kad abi medžiagos turėtų chemines grupes, su reakciniu potencialu.
Toli gražu ne visada, mėginant atskirti cheminį ryšį sudarančius adhezyvą ir substratą vienas nuo kito, nutrūksta susidarę cheminiai adheziniai ryšiai. Jei vienos iš medžiagų atsparumas tempimui bus mažesnis, nei adhezinio ryšio tvirtumas, suirs viena iš medžiagų, o ne adhezinis ryšys.
Adhezinio ryšio tvirtumas
Tvirtas adhezinis ryšys gali būti pasiektas, derinant kelis adhezijos mechanizmus, tokius, kaip didelis plotas tarp substrato ir adhezyvo, artimas pastarųjų kontaktas bei paviršiaus mikronelygumai.
Teoriškai apskaičiuotas adhezinio ryšio tvirtumas yra gerokai didesnis, nei pasitaikantis praktikoje. Dažnai pasitaiko ne adhezinio ryšio suirimas adhezyvo-substrato sandūroje, tačiau ir paties adhezyvo viduje atsirandantis kohezinis suirimas. Jei ryšio nutrūkimas, iš tiesų, yra adhezyvo-substrato sandūroje, tam gali būti eilė priežasčių. Viena pagrindinių priežasčių laikomas adhezyvo nesugėbėjimas artimai sukontaktuoti su substratu, dėl ko sąveika molekuliniame lygyje yra neįmanoma. Sudaryti artimą kontaktą gali trukdyti substrato užteršimas pašalinėmis medžiagomis ar oro bei kitų dujų burbuliukų patekimas į medžiagų sandūrą.
Realybėje adhezinio ryšio tvirtumą nulemia agresyvių aplinkos medžiagų ir ryšį veikiančių jėgų poveikis. Paprastai patys adhezyvai pasižymi gerokai blogesnėmis mechaninėmis savybėmis, negu substratas, todėl didelę įtaką turi paties adhezyvo vidiniai defektai. Dėl šios priežasties mėginama pasiekti kuo plonesnio adhezinio sluoksnio, kas trukdo įvesti į adhezyvus užpildo daleles. Be to, polimeriniai adhezyvai pasižymi susitraukimu po polimerizacijos, todėl adhezyvo kiekis turi būti kuo įmanoma mažesnis, kad polimerizacinis susitraukimas būtų minimalus.
Net ir esant tvirtam adheziniam ryšiui, reikia prisiminti, jog besikartojantis mechaninis poveikis, veikiantis adhezinį sluoksnį, palaipsniui mažina ryšio tvirtumą.
Svarbu žinoti, jog skystas adhezyvas, jungiantis substratus tarpusavyje, turi priešintis ne tik jėgoms, kurios veikia statmenai, bet ir kampu veikiančioms jėgoms. Kaip pavyzdys galėtų būti du stikliukai, tarp kurių yra nedidelis vandens kiekis. Vanduo, būdamas šioje situacijoje adhezyvu, gana tvirtai laiko stikliukus, jei juos mėginama atskirti statmenai jų paviršiui. Tačiau, jei atsiranda horizontaliai veikiantis jėgos komponentas, stikliukai lengvai vienas nuo kito nuslenka. Pasipriešinimą slinkimui didina adhezinės medžiagos klampumas (pvz., lipnios juostos yra padengtos itin klampiais klijais, kurie neleidžia juostelei atsiklijuoti net ir veikiant horizontaliai jėgai). Idealiu adhezyvu yra medžiaga, kuri iš skysčio virsta kietu kūnu, kadangi tai gerokai didina pasipriešinimą poslinkiui.
Adhezijos promotoriai
Appretai
- Plačiau: Appretai odontologijoje
Dažnai susiduriama su situacija, kuomet dvi medžiagos nėra chemiškai giminingos viena kitai, todėl negali drėkinti viena kitą. Odontologijoje tokia situacija yra tuomet, kai reikia sujungti stiklo dalelių užpildą su polimerine matrica. Vien fizinės adsorbsijos jėgų užtikrinti patikimam ryšiui nepakanka, todėl reikalingos tarpinės medžiagos, vadinamosios sujungiančiais agentais, arba appretais.
Praimeriai
Panašūs į appretus yra praimeriai. Tai yra medžiagos, kurie padidina substrato paviršiaus adhezinės sąveikos galimybes. Kaip praimeriai odontologijoje naudojamos tokios medžiagos, kaip fosforo rūgštis, pagerinanti adheziją prie kietųjų danties audinių, dentino kondicionieriai.
Nuorodos ir literatūra
1. Ричард ван Нурт - Основы стоматологического материаловедения, 75-86.
Paieška užsienio resursuose pagal raktinius žodžius: adhesion, адгезия.
