» » Адгезионная способность полимерных материалов

Адгезионная способность полимерных материалов

30.08.2016

При создании изделий конструкционного назначения используют связующие качества некоторых полимерных материалов, особенно синтетических смол в сочетании с отвердителями и инициаторами. Связующие («клеющие») качества, проявляемые в виде адгезии полимерных материалов к минералам пород, используют для воздействия на горный массив с целью изменения его состояния: упрочнения, герметизации и гидроизоляции, заполнения пустот выработок, предупреждения газовыделения.
В этих случаях преимущественное применение нашли термореактивные связующие, т. е. такие полимерные материалы, которые переходят из жидкого состояния в твердое, не имея обратной способности. После отверждения они безвозвратно теряют свойства растворимости или пластического деформирования.
Твердеющие связующие, разрабатываемые для непосредственного воздействия на горный массив с целью изменения его состояния, должны отвечать прежде всего требованиям высокой адгезии к горным породам и углям. Например, упрочнение нарушенных трещинами горных пород основано на принудительном введении связующего состава в трещины, где он отверждается и за счет высокой адгезии к породам связывает их в монолитный массив. Отверждение полимеров в трещинах пород происходит при помощи соответствующих отвердителей.
Под адгезией мы понимаем сцепление, т. е. способность одного вещества (адгезива) прочно удерживаться на поверхности другого (субстрата). Прочность адгезии характеризуется усилиями отрыва адгезива от субстрата. Механизм взаимодействия адгезива с субстратом представляет собой сложный комплекс химических, физических и физико-химических процессов.
Учтем, что молекулы полимеров (адгезива) гибки, а их звенья в известной мере обладают независимостью химического поведения. К поверхности минерала молекула полимера прикрепляется несколькими точками, включающими только часть сегментной цепи; остальная часть цепи находится в растворе. Следовательно, способность полимеров к образованию прочных адгезионных связей пространственно ограничена.
Что касается прочности этих связей, то она зависит от донорно-акцепторных и других форм активности молекул полимеров и минералов пород и характеризуется силами их внутреннего взаимодействия. Оценка таких сил взаимодействия выполнена Л.X. Таймуразовой. Остановимся на некоторых из них.
Межмолекулярные силы Ван-дер-Ваальсаа проявляются между близко расположенными (до 5 А) молекулами и атомами взаимодействующих веществ. Эти силы могут носить дисперсионный, ориентационный, индукционный или дипольный характер с энергией связи 2—3 ккал/моль. При упрочнении пород увеличивается роль дисперсионных сил в связи с большими размерами радикалов полимера и возрастанием в связи с этим числа контактов между обеими сторонами.
Водородная связь осуществляется между гидроксилами минералов и функциональными группами полимеров. Расстояние между атомами, связанными водородной связью, 2,5—3 А, а энергия связи 4—8 ккал/моль. Химические силы остаточных валентностей обеспечивают наиболее прочные связи. По теории Ленгмюра, они определяют образование мономолекулярного слоя молекул аделиза на поверхности субстрата.
Электростатические силы обеспечивают притяжение молекул адгезива к поверхности минералов за счет противоположно заряженных полиионов (полианионов, поликатионов) в цепи взаимодействующих элементов. Ионообменные силы возникают между подвижными ионами, с одной стороны, полимерного адгезина и, с другой — минералов породы.
Перечисленные силы действуют обычно во взаимосвязи и одновременно. Оценить истинную долю участия в адгезии каждой из этих сил даже теоретически весьма трудно. При оценке адгезионной способности полимерных связующих к породе следует учитывать, что соприкосновение жидкой среды с поверхностью минералов (смачивание) происходит не путем «наложения» жидкой фазы на твердую, а принудительным движением (под давлением) в крупные трещины и самодвижением (по теории капиллярных жидкостей) — в мелкие. Таким образом, движущийся поток связующего состава охватывает все новые берега, так что его качества не могут оставаться стабильными.