접착

Adhesion
시리즈의 일부
연속체 역학
픽의 확산 법칙
법률
보수
불평등
고체 역학
유체역학
유체
액체
가스
플라즈마
레올로지
스마트 유체
과학자
다른 용도는 접착(동음이의)을 참조하십시오.
거미줄에 달라붙은 이슬방울
젖은 수직 유리 표면에 개구리가 부착되어 있다.
오목한 메니스커스는 유착으로 인해 발생합니다.
Homeopathic pill.jpg
IUPAC 정의

물질이 다른 물질의 표면에 부착되는 과정.

참고 1: 접착에는 화학 물질 및/또는 물리적 물질로부터 얻을 수 있는 에너지가 필요합니다.
링크, 후자는 충분한 에너지가 가해질 때 가역적입니다.

주 2: 생물학에서 접착은 접촉 직후의 세포 행동을 반영한다.
수면으로 떠오르게.

참고 3: 수술에서 두 조직이 [1]예기치 않게 융합될 때 접착력이 사용됩니다.

접착은 서로 다른 입자 또는 표면이 서로 달라붙는 경향입니다(접착은 유사하거나 동일한 입자/표면이 서로 달라붙는 경향을 말합니다).

접착력과 응집력을 일으키는 힘은 몇 가지 유형으로 나눌 수 있습니다.다양한 종류의 스티커와 접착 테이프의 기능을 담당하는 분자간 힘은 화학 접착력, 분산 접착력, 확산 접착력으로 분류된다.이러한 분자간 힘의 누적 크기 외에도, 특정한 새로운 기계적 효과도 있습니다.

표면 에너지

각 고유 종에 라벨을 부착한 다양한 균열 사례의 다이어그램.
A: γ = (1/2)W11
B: W12 = + + – – γ1212
C: µ12 = (1/2)W121 = (1/2)W212
D: W12 + W33 – W1323 = W132.

표면 에너지는 일반적으로 특정 표면의 영역을 구축하는 데 필요한 작업으로 정의됩니다.표면 에너지를 보는 또 다른 방법은 벌크 샘플을 절단하는 데 필요한 작업과 관련지어 두 개의 표면을 만드는 것입니다.새로운 표면이 동일할 경우 각 표면의 표면 에너지 θ는 분할 작업의 절반인 W: θ = (1/2)W와11 같다.

표면이 동일하지 않으면 영-듀프레 방정식이 적용됩니다.W12 = θ1 + θ2 – θ12. 여기서 θ와1 θ는2 두 새 표면의 표면 에너지이고 θ는12 계면 에너지이다.

이 방법론은 또한12 다른 매체인 θ = (1/2)W121 = (1/2)W에서212 발생하는 균열의 논의에도 사용할 수 있다.이 두 가지 에너지량은 다른 종의 매개체에 포함된 상태에서 한 종을 두 조각으로 쪼개는데 필요한 에너지를 말합니다.마찬가지로 3종 시스템에 대해서도 마찬가지로, β13 + β2312 – β1233 = W13 + W23132 – W = W이며132, 여기서 [2]W는 종 3의 매개체에서 종 1을 종 2에서 분리하는 에너지이다.

균열 에너지, 표면 에너지 및 표면 장력의 용어에 대한 기본적인 이해는 물리적 상태와 주어진 표면에서 일어나는 사건을 이해하는 데 매우 도움이 되지만, 아래에서 논의한 바와 같이, 이러한 변수의 이론은 접착 표면의 실용성과 관련된 몇 가지 흥미로운 효과를 낳는다.주변환경으로.[2]

메커니즘

접착을 다루는 단일 이론은 없으며, 특정 메커니즘은 특정 재료 시나리오에 고유하다.한 물질이 다른 물질에 부착되는 이유를 설명하기 위해 5가지 접착 메커니즘이 제안되었습니다.

기계

접착제는 표면의 틈새나 모공을 메우고 서로 맞물려 표면을 고정합니다.다른 연동 현상은 다른 길이 척도에서 관찰된다.바느질은 두 가지 재료가 대규모 기계적 결합을 형성하고, 벨크로가 중간 규모의 접착제를 형성하며, 일부 섬유 접착제(접착제)가 소규모로 형성된 예이다.

화학의

접합부에서 두 가지 재료가 화합물을 형성할 수 있다.가장 강한 접합부는 두 물질의 원자가 전자를 공유하거나 교환하는 곳입니다(각각 공유 결합 또는 이온 결합으로 알려져 있습니다).한 분자의 수소 원자가 다른 분자의 질소, 산소 또는 불소의 원자에 끌리면 수소 결합이라고 불리는 현상이 더 약한 결합이 형성된다.

화학 접착은 두 개의 분리된 표면의 표면 원자가 이온 결합, 공유 결합 또는 수소 결합을 형성할 때 발생합니다.이런 의미에서 화학적 유착 뒤에 있는 공학적 원리는 매우 간단합니다: 표면 분자가 결합할 수 있다면, 표면은 이러한 결합의 네트워크에 의해 결합될 것입니다.여기에는 이러한 매력적인 이온 및 공유 힘이 나노미터 미만의 매우 작은 거리에서만 효과적이라는 언급이 담겨 있습니다.이는 일반적으로 화학적 결합 가능성이 있는 표면은 서로 매우 가깝게 결합되어야 할 뿐만 아니라 표면이 서로 [3]가깝게 유지되어야 하기 때문에 이러한 결합이 상당히 취약하다는 것을 의미합니다.

분산형

주요 기사:분산 접착

물리적 흡착으로도 알려진 분산 접착에서, 두 물질은 판 데르 발스 힘에 의해 함께 고정됩니다: 각각 약간의 양의 전하와 음의 전하 영역을 가진 두 분자 사이의 인력입니다.단순한 경우, 그러한 분자는 평균 전하 밀도와 관련하여 극성을 띠지만, 더 크거나 더 복잡한 분자의 경우, 양전하 또는 음전하가 더 큰 여러 개의 "극" 또는 영역이 있을 수 있다.이러한 양극과 음극은 분자의 영구적 특성(키섬 힘)일 수도 있고 분자 내에서 전자가 무작위로 움직이면 한 영역에 전자가 일시적으로 집중될 수도 있기 때문에 모든 분자에서 발생할 수 있는 일시적인 효과일 수도 있다(런던 힘).

응집력은 물방울을 형성하게 하고, 표면 장력은 물방울을 거의 구형으로 만들고, 접착력은 물방울을 제자리에 유지하게 합니다.
히비스커스 꽃에 물방울이 더 평평해 밀착력이 좋다.

표면과학에서 접착이라는 용어는 거의 항상 분산 접착을 가리킨다.일반적인 고액 가스 시스템(예: 공기로 둘러싸인 고체에 액체 방울)에서는 접촉각을 사용하여 접착성을 간접적으로 평가하며, 원심 접착 밸런스를 사용하여 직접 정량 접착을 측정할 수 있습니다.일반적으로 접촉각이 낮은 경우 단위 면적당 접착력이 높은 것으로 간주된다.이 접근법은 낮은 접촉각이 높은 표면 [4]에너지에 해당한다고 가정합니다.이론적으로 접촉각과 접착작업의 보다 정확한 관계는 영-듀프레 방정식에 의해 제시된다.3상계의 접촉각은 분산 접착(액체 내 분자와 고체 내 분자 간의 상호작용)뿐만 아니라 응집(액체 분자 자체의 상호작용)의 함수이다.접착력이 강하고 응집력이 약하면 습도가 높아지며, 측정된 접촉각이 낮은 친유성 상태가 됩니다.반대로 접착력이 약하고 응집력이 강하면 측정된 접촉각이 높고 습도가 낮은 리오포비아 상태가 된다.

런던 분산력은 접착 장치의 기능에 특히 유용합니다. 접착 장치는 어떤 표면에도 영구 극성을 가질 필요가 없기 때문입니다.그것들은 1930년대에 프리츠 런던에 의해 설명되었고 많은 연구자들에 의해 관찰되었다.분산력은 통계 양자역학의 결과이다.런던은 이온이나 공유가 상호작용으로 설명할 수 없는 분자 사이의 유인력이 분자 내부의 극성 모멘트에 의해 야기될 수 있다는 이론을 세웠다.다중극은 정전 상호작용에 참여하는 영구 다중극 모멘트를 가진 분자 사이의 흡인력을 설명할 수 있다.그러나 실험 데이터에 따르면 판데르발스 힘을 경험하는 것으로 관측된 화합물 중 다극은 전혀 없었다.런던은 순간적인 쌍극자가 단순히 서로 근접한 분자에 의해 유발된다고 제안했다.두 전자의 양자역학적 시스템을 서로 유한한 거리에서 고조파 발진기로 풀고 각각의 정지 위치에 대해 변위하고 서로 상호작용함으로써 런던은 이 시스템의 에너지가 다음과 같이 제공된다는 것을 보여주었다.

첫 번째 항은 단순히 0점 에너지인 반면, 두 번째 음의 항은 인접한 발진기 사이의 흡인력을 나타냅니다.동일한 인수는 다수의 결합 발진기로 확장될 수 있으며, 따라서 특히 대칭을 통해 영구 쌍극자가 취소되는 대규모 매력적인 효과를 부정하는 문제를 다룬다.

분산 효과의 가법적 특성은 또 다른 유용한 결과를 가져온다.원점 쌍극자라고 불리는 단일 분산 쌍극자를 생각해 보십시오.어떤 원점 쌍극자는 본질적으로 그것이 유도하는 인접 쌍극자에 끌리도록 배향되어 있고, 다른 원점 쌍극자는 어떤 위상 관계(따라서 평균적으로 아무것도 기여하지 않음)에 의해 원래의 쌍극자와 상관되지 않기 때문에, 그러한 입자의 많은 부분에는 순매력력이 존재한다.동일한 입자를 고려할 때 이를 [5]응집력이라고 합니다.

접착을 논할 때, 이 이론은 표면과 관련된 용어로 변환될 필요가 있다.만약 많은 유사한 분자에 응집성의 순수한 매력적인 에너지가 있다면, 이 덩어리를 쪼개서 두 개의 표면을 생성하면 에너지의 형태가 그대로 유지되기 때문에, 표면 에너지가 분산되어 표면이 생성될 것입니다.이 이론은 표면에서 전자를 가진 분자 사이에 존재하는 반데르발스 힘의 존재에 대한 근거를 제공합니다.이러한 힘은 매끄러운 표면이 접촉하는 자발적인 점프를 통해 쉽게 관찰됩니다.운모, 금, 다양한 폴리머 및 고체 젤라틴 용액의 매끄러운 표면은 분리가 약 1~10 nm 정도로 작아지면 떨어지지 않습니다.이러한 매력을 설명하는 방정식은 1930년대에 De Boer와 Hamaker에 [3]의해 예측되었습니다.

여기서 P는 힘(인력에 대한 음수), z는 분리 거리, A는 Hamaker 상수라는 물질 특이 상수입니다.

PDMS 미세구조의 두 단계는 판데르발스의 매력으로 인해 붕괴된다.PDMS 스탬프는 해칭된 영역으로 표시되고 기판은 음영 처리된 영역으로 표시됩니다.A) PDMS 스탬프는 "지붕"이 올라간 상태에서 기판 위에 배치됩니다.B) Van der Waals 어트랙션은 지붕 붕괴를 PDMS 스탬프에 에너지적으로 유리하게 만든다.

이 효과는 또한 작은 주기적 포스트 구조로 폴리디메틸실록산(PDMS) 스탬프를 만드는 실험에서도 뚜렷하게 나타난다.각 기둥 사이의 표면적이 기둥으로 지탱되는 지붕처럼 평탄한 표면 위로 올라가도록 기둥과의 표면을 아래로 향하게 한다.PDMS와 매끄러운 기판 사이의 이러한 매력적인 분산력에 의해, 상승한 표면 또는 "지붕"은 반데르발스 [6]흡인력을 제외하고 외부 힘 없이 기판 위로 무너집니다.이러한 분산 접착제 성질을 위해 일반적으로 미세 구조가 없는 단순하고 매끄러운 폴리머 표면이 사용됩니다.화학 접착제를 사용하지 않고 유리에 부착되는 스티커와 스티커는 장난감이나 장식품으로 매우 흔하며 접착성분을 빠르게 잃지 않기 때문에 접착성분을 사용하는 접착테이프처럼 분리 가능한 라벨로 유용합니다.

이러한 힘은 매우 짧은 거리에서도 작용한다는 것을 유념하는 것이 중요합니다.반데르발스 결합을 깨는 데 필요한 작업의 99%는 표면이 1나노미터 이상 [3]떨어지면 이루어집니다.판데르발스 및 이온/공가 결합 상황에서의 이러한 제한적인 움직임의 결과, 이들 상호작용 중 하나 또는 둘 다에 의한 접착의 실질적인 효과는 크게 기대할 수 없다.균열이 시작되면 계면 [7]결합의 메짐성 때문에 계면을 따라 쉽게 전파됩니다.

그 결과 표면적이 증가하면 이 상황에서 접착력이 향상되는 데 거의 도움이 되지 않는 경우가 많다.이는 전술한 균열고장에 따른 것으로 계면의 응력은 균등하게 분산되지 않고 오히려 [3]고장 부위에 집중된다.

정전

일부 전도성 물질은 접합부의 전하 차이를 형성하기 위해 전자를 통과할 수 있습니다.그 결과 캐패시터와 유사한 구조가 되고 재료 사이에 매력적인 정전력을 생성합니다.

확산

일부 재료는 확산에 의해 접합부에서 결합될 수 있습니다.이 문제는 두 물질의 분자가 이동성이 있고 서로 용해될 때 발생할 수 있습니다.이것은 분자의 한쪽 끝이 다른 물질로 확산되는 고분자 사슬에서 특히 효과적일 것이다.그것은 또한 소결과 관련된 메커니즘이다.금속 또는 세라믹 가루를 함께 눌러 가열하면 원자는 한 입자에서 다음 입자로 확산됩니다.이것은 입자들을 하나로 결합시킨다.

인터페이스는 점선으로 표시됩니다.가) 비가교 고분자는 계면 전체에 걸쳐 확산하는 것이 다소 자유롭다.1개의 루프와 2개의 원위부 꼬리가 확산하고 있습니다.나) 가교 폴리머는 확산되지 않을 정도로 자유롭지 않다.C) 많은 꼬리가 계면을 가로질러 뻗어 있는 매우 자유로운 "스크라이스된" 폴리머.

확산력은 분자 수준에서 기계적 구속과 비슷합니다.확산 결합은 한 표면에서 온 종들이 그들의 원점 표면에 여전히 결합되어 있는 상태에서 인접한 표면으로 침투할 때 발생합니다.하나의 교훈적인 예는 폴리머 대 폴리머 표면입니다.폴리머-온-폴리머 표면에서의 확산 결합은 한 표면으로부터의 폴리머 체인 섹션이 인접한 표면과 상호 교배한 결과이다.고분자의 이동 자유는 고분자의 상호 교합 능력, 즉 확산 결합에 강한 영향을 미칩니다.예를 들어, 가교 폴리머는 여러 접점에서 서로 결합되어 인접 표면에 꼬일 수 없기 때문에 확산 및 상호소화 능력이 떨어진다.반면, 비교차 폴리머(열 플라스틱)는 꼬리와 루프를 계면에 걸쳐 확장함으로써 인접한 상으로 이동하는 것이 더 자유롭다.

확산 결합이 발생하는 또 다른 상황은 "스크리션"입니다.체인 스크리션은 폴리머 체인을 절단하는 것으로, 결과적으로 말단 꼬리의 농도가 높아집니다.이러한 체인 엔드의 농도가 높아지면 계면을 가로지르는 폴리머 테일의 농도가 높아집니다.산소가스가 있을 때 자외선 조사를 통해 쉽게 분리할 수 있습니다. 이는 확산 접합을 사용하는 접착 장치가 열/빛 및 공기에 장기간 노출되는 것이 실제로 도움이 된다는 것을 나타냅니다.이러한 조건에 장시간 노출될수록 인터페이스 전체에 걸쳐 더 많은 테일이 절단되어 분기됩니다.

인터페이스를 통과하면 테일 및 루프가 임의의 바람직한 결합을 형성합니다.고분자 대 고분자 표면의 경우, 이는 더 많은 반데르발스 힘을 의미합니다.이러한 결합은 부서지기 쉬울 수 있지만, 이러한 결합의 큰 네트워크가 형성되면 상당히 강해집니다.각 표면의 가장 바깥쪽 층은 그러한 계면의 접착 특성에 중요한 역할을 합니다. 1.25 앵스트롬 길이의 작은 꼬리 하나 또는 두 개라도 판데르발스 결합을 [8]크기 순서로 증가시킬 수 있기 때문입니다.

힘

두 재료 간의 접착 강도는 위의 메커니즘 중 어느 것이 두 재료 사이에서 발생하는지와 두 재료가 접촉하는 표면적에 따라 달라집니다.서로 젖어 있는 재료는 그렇지 않은 재료보다 접촉 면적이 더 큰 경향이 있습니다.습윤은 재료의 표면 에너지에 따라 달라집니다.

폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리옥시메틸렌과 같은 저표면 에너지 물질은 특별한 표면 준비 없이 결합하기 어렵다.

접착 접점의 강도를 결정하는 또 다른 요소는 모양입니다.복잡한 모양의 접착 접점은 접점 영역의 "[9]엣지"에서 분리되기 시작합니다.접착 접점의 파괴 과정은 [10]필름에서 볼 수 있습니다.

기타 효과

위에서 설명한 주요 표면력과 함께, 몇 가지 상황 효과가 작용하고 있습니다.힘 자체는 표면 간 접착의 크기에 기여하지만 접착 장치의 전반적인 강도와 신뢰성에 다음과 같은 중요한 역할을 한다.

스트링

운지법.해칭된 부분은 수신 기판, 점선된 부분은 테이프, 음영 처리된 부분은 접착제 화학층입니다.화살표는 골절의 전파 방향을 나타냅니다.

끈은 아마도 이러한 효과들 중 가장 중요하며, 접착 테이프에서 종종 볼 수 있습니다.스트링은 2개의 서페이스의 분리가 시작되고 인터페이스 브릿지의 분자가 인터페이스 자체와 같이 균열이 발생하는 것이 아니라 갭을 넘어 밖으로 나갈 때 발생합니다.이 효과의 가장 중요한 결과는 균열의 억제이다.그렇지 않으면 부서지기 쉬운 계면 결합을 어느 정도 유연하게 제공함으로써, 틈새를 가로지르는 분자는 균열이 퍼지는 [3]것을 막을 수 있습니다.이 현상을 이해하는 또 다른 방법은 앞에서 언급한 고장 지점의 응력 집중도와 비교하는 것입니다.응력이 일부 영역에 분산되어 있기 때문에 특정 지점의 응력이 표면 사이의 전체 접착력을 압도할 가능성이 낮아집니다.점탄성 접착제가 포함된 계면에서 고장이 발생하여 균열이 확산되는 경우, 빠르고 부서지기 쉬운 [7]골절이 아닌 "손가락질"이라고 하는 점진적인 프로세스에 의해 발생합니다.끈은 확산 접합 방식과 화학적 접합 방식 모두에 적용될 수 있습니다.틈새를 가로지르는 분자의 끈은 계면을 가로질러 확산된 분자이거나 계면에 상당한 부피가 있다면 점탄성 접착제일 것이다.

미세 구조

분자 스케일 메커니즘과 계층적 표면 구조의 상호작용은 표면 [11]쌍 간에 높은 수준의 정적 마찰과 결합을 초래하는 것으로 알려져 있다.기술적으로 진보된 접착 장치는 때때로 단단하게 채워진 주기적인 기둥과 같은 표면의 미세 구조를 사용합니다.이것들은 다양한 절지동물과 척추동물(가장 주목할 만한 도마뱀붙이)의 발에 붙는 능력에서 영감을 얻은 생체 모방 기술이다.매끄러운 접착면에 주기적인 파쇄를 혼합함으로써 계면은 귀중한 균열 방지 특성을 얻을 수 있습니다.균열 시작은 균열 전파보다 훨씬 큰 응력을 요구하기 때문에 이러한 표면은 다음 개별 미세 구조에 [12]도달할 때마다 새로운 균열을 다시 시작해야 하므로 분리하기가 훨씬 어렵습니다.

히스테리시스

이 경우 히스테리시스는 접착제 계면의 일정 기간에 걸친 재구성을 의미하며, 그 결과 두 표면을 분리하는 데 필요한 작업이 결합함으로써 얻은 작업(W > + + γ12)보다 더 커집니다.대부분의 경우 이는 확산 결합과 관련된 현상입니다.확산 접합을 보이는 한 쌍의 표면이 구조 조정에 더 많은 시간이 주어질수록 확산이 더 많이 발생하고 접착력이 더 강해집니다.앞서 언급한 특정 폴리머-온-폴리머 표면이 자외선과 산소 가스에 반응하는 것은 히스테리시스의 한 예이지만, 이러한 요인이 없다면 시간이 지남에 따라 발생할 수도 있습니다.

W > + + is이12 참인지 아닌지를 판단하여 히스테리시스를 관찰할 수 있을 뿐만 아니라 "Stop-Start" 측정을 수행하여 그 증거를 찾을 수도 있습니다.이러한 실험에서 두 개의 표면이 서로 연속적으로 미끄러지며 측정된 시간 동안 때때로 멈춥니다.폴리머 온 폴리머 표면에 대한 실험 결과 정지 시간이 짧으면 부드러운 슬라이딩이 재개되기 쉬운 것으로 나타났습니다.그러나 정지 시간이 어느 한도를 초과하면 동작에 대한 저항력이 초기에 증가하여 정지 시간이 표면을 [8]재구성하기에 충분했음을 나타냅니다.

습도 및 흡수성

접착 장치의 기능에 대한 일부 대기 영향은 표면 에너지와 계면 장력의 이론을 따르는 것으로 특징지을 수 있습니다.θ12 = (1/2)W121 = (1/2)W로212 알려져 있습니다.δ가12 높으면 각 종은 서로 분리하여 혼합하는 것보다 외래종과 접촉하면서 응집하는 것이 유리하다.만약 이것이 사실이라면, 계면 장력이 높을 때, 각 종들이 서로 결합하는 것을 선호하지 않기 때문에 접착력이 약하다는 것을 의미한다.액체와 고체의 계면 장력은 액체의 습도와 직접 관련이 있으며(고체에 상대적으로), 따라서 비습식 액체에서는 응집력이 증가하고 습식 액체에서는 감소하는 것으로 추정할 수 있습니다.이를 입증하는 한 예로 폴리디메틸 백산 고무가 있습니다. 폴리디메틸 백산은 공기 중 43.6mJ/m2, 물 중 74mJ/m2(비습식 액체), 메탄올(습식 액체) 중 6mJ/m의2 자체 접착 작용을 합니다.

이 주장은 표면이 바인딩이 유리한 매체에 있을 때, 매체가 다른 표면에 부착할 수 있는 표면의 잠재적 부위를 차지하기 때문에 다른 표면에 부착할 가능성이 낮다는 생각으로 확장될 수 있다.자연적으로 이것은 습윤 액체에도 매우 강하게 적용되며, 또한 해당 표면에 흡착될 수 있는 가스 분자에도 적용되어 잠재적 접착 부위를 점유한다.이 마지막 포인트는 사실 꽤 직관적입니다. 접착제를 공기에 너무 오래 노출시키면 접착제가 더러워지고 접착력이 떨어집니다.이것은 실험에서 관찰되었습니다: 운모가 공기 중에 분해될 때, 운모의 분해 에너지 W121 또는mica/air/mica W는 진공에서의 분해 에너지 W보다mica/vac/mica [3]13배 더 작습니다.

측면 접착

측면접착이란 기판상에서 하나의 물체를 미끄러뜨리는 것과 관련된 접착력이다.두 물체가 고체일 때, 그 사이에 액체가 있든 없든, 측면 접착은 마찰로 설명된다.단, 액체-표면 간 가로접착의 거동은 고체 간 마찰과는 트라이벌리적으로 매우 다르며, 이 경우 평면과 액체 간의 자연접착에 의해 개별장이라고 할 수 있다.횡방향 접착력은 원심력과 중력의 조합을 사용하여 문제의 정상력과 횡력을 분리하는 원심 접착 밸런스([13][14]CAB)를 사용하여 측정할 수 있습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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추가 정보

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