Адгезия - просто о сложном

Основные термины и определения

С. А. Ненахов (НПО НЕОХИМ, г. Москва)

Термины адгезионно-клеевой тематики не отнесешь к неологизмам. Так, термин адгезия ввели в 1924 г. Бехольд и Нейман [1] для обозначения специфического молекулярного сцепления в дополнение к господствовавшим тогда представлениям о механическом характере природы склеивания. Появление термина клей в русской лексике относят [2] к XII веку. Тем не менее и сегодня нельзя сказать, что этим терминам присуща специализация значения и семантическая точность даже при использовании их в науч­ной литературе.

Встречающаяся в публикациях и нормативно-технических документах многозначность и неопределенность термина клей и производных от этого термина слов и словосочетаний в основном обусловлена известной терминологической неряшливостью авторов, т. е. это вопрос культуры языка и, может быть, лексикографии. Общепринятые термины клеевой тематики представлены ниже.

Что касается термина адгезия, то многозначность и неопределенность этого термина напоминает путаницу и неразбериху, которая царила в XVII—XVIII веках в фундаментальных понятиях теории теплоты [3] вплоть до тех пор, пока изобретение и применение термометра не сделали возможным четкое разграничение понятий температуры и количества теплоты. Исходя из допустимой аналогии с прошлыми трудностями в формировании понятийного аппарата термодинамики, можно полагать, что и в вопросе адгезии мы имеем дело не столько с проблемой лексической договоренности (конвенционализации) в научном сообществе, сколько с проблемой методологической, а точнее, с аксиоматической проблемой.

Достаточно драматично для своего времени методологическую проблему выразил С.С. Воюцкий, писавший, что существующие теории адгезии рассматривают разные случаи и разные стороны этого явления, и «...единой теории, объясняющей явления адгезии, нет и, вероятно, не может быть. В различных случаях адгезия обусловливается разными механизмами...» [4]. Действительно, по меньшей мере, пять теоретических подходов к механизму адгезии имелись к концу 70-х годов прошлого века: электрическая теория, адсорбционная теория, диффузионная теория, механическая теория и теория слабого граничного слоя. Попытку формального объединения этих теорий предпринял К.В. Ален [5].

Существующие в литературе многочисленные определения адгезии по семантическим признакам могут быть разделены на три группы. К первой группе отнесем формулировки, определяющие адгезию как процесс (последовательную смену состояний). Ко второй - определяющие как свойство (качество, признак), составляющее отличительную особенность системы. К третьей - определяющие как состояние (внешние или внутренние обстоятельства, в которых находится что-нибудь) системы. Ниже приведены типичные примеры определений.

Адгезия как процесс

«Адгезия (прилипание) - возникновение связи между поверхностными слоями двух разнородных (твердых или жидких) тел (фаз), приведенных в соприкосновение» (П. А. Ребиндер) [6].

«Адгезия - явление, заключающееся в возникновении физического и/или химического взаимодействия между конденсированными фазами при их молекулярном контакте, приводящее к образованию новой гетерогенной системы» (В. Л. Вакула, Л. М. Притыкин) [7].

«Адгезия — явление соединения приведенных в контакт поверхностей конденсированных фаз» (Л. М. Притыкин, В. Л. Вакула) [8, 9].

Примеры такого подхода можно множить. Видно, что здесь адгезия трактуется как процесс в системе из двух конденсированных фаз при их сближении (из бесконечного удаления) до расстояния действия межмолекулярных сил, в результате которого возникает связь между разнородными конденсированными фазами. Надо сказать, что терминами с аналогичной грамматической структурой, этимологически восходящими к латинским корням, действительно, обозначают преимущественно некие процессы, например, адсорбцию, диффузию, сорбцию и т.д. Чтобы не быть голословными, приведем пример из «Физического энциклопедического словаря»: «Диффузия - процесс установления внутри фаз равновесного распределения концентраций...» [10, с. 621]. В отличие от них фонетически близкие грекоязычные по происхождению термины, например, «энергия» и «энтропия» обозначают некую меру. Таким образом, про данный «процессный подход» можно сказать, что здесь семантическое значение термина и его грамматическая форма соответствуют друг другу. Но, с другой стороны, фразы, подобные выражению «кинетика формирования адгезии», тоже нам понятны и не вызывают раздражения.

Адгезия как свойство

«Под адгезией понимают молекулярную связь между поверхностями приведенных в контакт разнородных тел» (А.А. Берлин, В.Е. Басин) [Ю, 11].

«Под адгезией жидкостиподразумевают взаимодействие жидкой и твердой фаз на границе раздела этих фаз» (А.Д. Зимон) [12].

«Адгезия, прилипание... - связь между приведенными в контакт разнородными поверхностями» (С.С. Воюцкий) [13].

Б.В. Дерягин с сотрудниками предпринял попытку устранить проблему, разделив процесс и свойство: «Общепринято под адгезией, в отличие от когезии, подразумевать сопротивление нарушению контакта двух разнородных тел. Поэтому явления адгезии естественно относить к поверхностным явлениям, контролируемым поверхностными силами. Для устранения двусмысленности было бы целесообразно термин «прилипание» относить к процессам установления и прогрессивного роста со временем молекулярной связи между двумя телами, термин же «адгезия» применять для обозначения достигнутой прочности этой связи. Таким образом, прилипание в согласии с этимологической основой слова должно обозначать процесс, а адгезия - количественную меру его результата» [14]. Заметим, что с этимологической точки зрения справедлива только первая часть последнего в цитате предложения.

Аналогичные определения в те же годы появляются, например, в англоязычной литературе: С.Wake [15], Л.-Х.Ли [16]. А. Адамсон, стремясь ограничить многозначность термина, предлагал в узком смысле «под адгезией понимать прочность связи двух соприкасающихся фаз» [17].

Адгезия как состояние

«Адгезия - такое состояние двух разнородных тел, при котором они удерживаются вместе в тесном межфазном контакте таким образом, что механическая сила или работа могут быть переданы через границу раздела» By Шоухенг) [18, р. 337]. Отметим, что рамки грамматической структуры термина в этом направлении первыми преодолели англоязычные авторы. Приведенное определение расширяет толкование термина до нового семантического значения - состояния двух разнородных тел. В чем особенность этого состояния? Согласно предложению автора - в наличии межфазного контакта между этими разнородными телами. Такого контакта, что механическая работа может быть передана через границу раздела фаз. Возможность же передачи механической работы через границу раздела означает наличие взаимодействия (силы притяжения, аттракции) между фазами, т.е. данное определение, акцентирующее состояние, по сути, возвращает нас к тому же объекту - межфазной границе и к тому же межфазному взаимодействию.

Подытожим. Во всех трех группах определений речь идет об одном и том же объекте - гетерогенном теле, состоящем из двух разнородных конденсированных контактирующих фаз, при этом тела через границу раздела связаны межмолекулярными силами. Разница между этими группами определений состоит в том, что в первой группе терминов упор делается на процессе возникновения связи или переходе системы в новое состояние - связанное, во второй группе - собственно на наличии связи, мере результата. Наконец, в третьей группе упор делается на состоянии (есть связь, нет связи) и игнорируется процесс.

В современной терминографии, к сожалению, нет единой точки зрения относительно допустимости такой неоднозначности. Специалисты одной школы считают, что однозначность - непременная черта термина [19]. Другие - что многозначность термина не есть доказательство нечеткости языковых понятий [20], т.е. опереться на терминографию мы не можем. В такой ситуации проще всего - оставить все как есть, поскольку из контекста обычно ясно, о чем идет речь. Педанты предпочтут процессный подход, но время все расставит по местам, а терминология найдет этому объяснение.

Нам представляется, что главная трудность заключается не столько в многозначности приведенных определений - они все о разных сторонах одного и того же явления, сколько в многообразии объектов и явлений, которые пытаются подвести под это определение и рассматривать как явления адгезионные, что и приводит к двусмысленности.

Например, как быть с множеством теорий, объясняющих механизм адгезии? Действительно ли участь адгезии столь печальна, что это явление не может быть описано единой теорией? Не претендуя на детальное рассмотрение всего вопроса, и даже на детальное рассмотрение аксиоматики адгезии, мы здесь лишь выскажем предположение, что число адгезионных теорий может значительно сократиться, если ограничить обычно рассматриваемый круг объектов только теми, о которых действительно идет речь в рассмотренных определениях. Так, если в определении адгезии уточнить, ограничить понятие объекта, а именно отказаться от аморфного словосочетания «разнородные тела (фазы)» в пользу конкретного «несовместимые в термодинамическом смысле фазы», то некоторые теории, числящиеся по классу адгезионных, вьпадут из круга адгезионных проблем.

Например, диффузионная теория. Объекты и явления, описываемые в диффузионной теории, действительно существуют, но это совместимые системы без равновесных межфазных границ, это системы, для которых характерно (в пределе) исчезновение границы раздела, поэтому, строго говоря, их нельзя относить к объектам, рассматриваемым во всех трех приведенных выше группах определений. Конечно, диффузионные процессы многое определяют в поведении (кинетике, равновесных свойствах) совместимых систем. Но эти явления не имеют отношения к адгезии, а скорее, к теории аутогезии или когезии.

Механическая теория адгезии фактически рассматривает системы с разного рода механическими зацеплениями, описание поведения которых при механическом нагружении имеет теоретический и практический смысл, но собственно механические зацепления не имеют отношения к межмолекулярным силам. Конечно, механические зацепления возможны и в реальных адгезионных соединениях. Их вклад в механическую прочность может даже превышать собственно адгезионный вклад, но эта задача относится скорее к учету свойств деформируемых макротел, т. е. к теоретической механике. В соответствии с механической теорией адгезии пазлы также следовало бы отнести к адгезионным объектам.

Теория слабого граничного слоя. В наше время ясно осознано, что вблизи границы раздела фаз происходит перестройка структуры тела. Протяженность этих областей может достигать нескольких десятков микрометров, а сами области характеризоваться другой степенью упаковки молекул, нежели тело в объеме. Согласно этой теории разрушение тела происходит по так называемому слабому слою, который, как правило, локализуется вне собственно границы раздела фаз. Образование этого слоя является следствием действия сил межмолекулярного взаимодействия между фазами, т.е. вторично по отношению к формированию связей на границе раздела несовместимых фаз. В реальных системах разная степень дефектности межфазных слоев способна существенно повлиять на результаты, например, механических испытаний, но это обстоятельство не является ни необходимым, ни достаточным для отнесения теории слабого граничного слоя к теориям адгезии. Скорее, эта теория должна быть отнесена к теориям, объясняющим отклонение от «идеальной» адгезии.

Таким образом, если исходить строго из рассмотренных определений адгезии, то можно констатировать, что единый предмет в определениях адгезии существует - это межфазная граница контактирующих несовместимых фаз. Другое дело, что для описания этого предмета (явления) существуют разные подходы, например, термодинамический. Или в виде молекулярных теорий взаимодействия между макроскопическими телами, например, теория на основе сил Ван-дер-Ваальса, теория на основе потенциала Ленарда-Джонса или теория Лившица, рассматривающая излучаемые телами электромагнитные волны. Эти теории достаточно подробно изложены в ряде монографий, например, в [18, р. 1-65]. Другие же теории (механическую и теорию слабого граничного слоя) уместно рассматривать в качестве поправок, учитывающих отклонения (иногда существенные) от идеальной адгезии.

Полемичность изложенного здесь подхода на фоне исторически сложившихся представлений очевидна. Но нам представляется, что система изложенных ограничений (одно из требований аксиоматики) вытекает из всех рассмотренных определений адгезии. Ограничение по объектам и явлениям может помочь отделению вторичных явлений от первичных, помочь отнесению явлений другой, не адгезионной природы к «своей нише». Это и будет означать построение единой и непротиворечивой аксиоматики адгезии и устранение существующей сегодня терминологической двусмысленности.

Словарь

Адгезия (от лат. adhaesio - прилипание, англ. adhesion) - 1) возникновение межмолекулярного взаимодействия между приведенными в контакт разнородными конденсированными фазами; 2) установившееся взаимодействие между фазами на границе раздела и величина, его характеризующая; 3) связанное состояние разнородных фаз (тел), при котором они удерживаются в межфазном контакте.

Абгезив (англ. abhesive) - разделительный материал, предотвращающий адгезию.

Адгезив (англ. adhesive) - 1) клеящее вещество; 2) связующее вещество; 3) клей; 4) липкий; 5) клейкий; 6) материал, соединяющий между собой другие материалы путем сцепления с их поверхностями.

Адгезионный (-ое, -ая) - прилагательное, обозначающее принадлежность некоторого предмета к адгезии, например, адгезионная прочность - прочность адгезионного соединения.

Адгеренд (англ. adherend) - склеиваемый материал, субстрат.

Аутогезия - связь одноименных (совместимых) материалов от момента приведения их в контакт до момента диффузионного исчезновения геометрической границы раздела.

Клей - материал, соединяющий между собой другие материалы путем сцепления с их поверхностями.

Когезия (англ. cohesion) - 1) сцепление между находящимися в контакте поверхностями двух однородных по составу тел; 2) связность; 3) свойство тела, обеспечивающее связывание его частей.

Липкость - сопротивление, оказываемое клеем при отделении его от субстрата.

Промотор - добавка к адгезиву (клею), увеличивающая механическую прочность адгезионных соединений.

Соединение клеевое - соединение двух субстратов (тел) между собой слоем клея.

Субстрат (англ. substrate) - материал, на поверхность которого наносят клей.

Фаза (англ. phase) - однородная обособленная часть системы, отделенная от других частей разграничивающими поверхностями.

Список литературы

1. Bechold H., Neumann S. // Angew. Chem. 1924. Bd. 37. S. 225, 534, 569.

2. Черных П. Я. Историко-этимологический словарь современного русского языка. М.: Рус. яз., 1994. Т. 1. С. 400.

3. Гельфер Я. М. История и методология термодинамики и статистической физики. М.: Высш. шк., 1969. Т. 1. С. 14

4. Энциклопедия полимеров. М.: Сов. энциклопедия, 1972. Т. 1. С. 29.

5. Allen K. W. In Aspects of Adhesion/D. J. Alner, Ed. London: Univ. of London Press, 1969. V. 5. P. 11.

6. Физический энциклопедический словарь. М.: Сов. энциклопедия, 1960. Т. 1. С. 19.

7. Вакула В. Л., Притыкин Л. М. Физическая химия адгезии полимеров. М.: Химия, 1984. С. 12.

8. Притыкин Л. М., Вакула В. Л. // Химическая энциклопедия. М.: Сов. энциклопедия, 1988. Т. 1. С. 35-38.

9. Притыкин Л. М., Кардашов Д. А., Вакула В. Л. Мономерные клеи. М.: Химия, 1988. С. 8.

10. Физический энциклопедический словарь. М.: Сов. энциклопедия, 1960. Т. 1. С. 621.

11. Берлин А. А., Басин В. Е. Основы адгезии полимеров. М.: Химия, 1974. Сб.

12. Краткая химическая энциклопедия. М.: Сов. энциклопедия, 1961. Т. 1. С. 1263.

13. Зимон А. Д. Адгезия жидкости и смачивание. М.: Химия, 1974. С. 7.

14. Воюцкий С. С. // Энциклопедия полимеров. М.: Сов. энциклопедия, 1972. Т. 1. С. 22.

15. Дерягин Б. В., Кротова Н. А., Смилга В. П. Адгезия твердых тел. М.: Наука, 1973. С. 9-17.

16. Wake W. С. Adhesion and Formulation of Adhesives. London: Applied Science Publishers, 1982. P. 3

17. Ли Л.-Х. // Адгезивы и адгезионные соединения: Пер. с англ. / Под ред. Л.-Х. Ли. М.: Мир, 1988. С. 8-48.

18. Адамсон А. Физическая химия поверхностей: Пер. с англ. М.: Мир, 1979. С. 360.

19. Wu Souheng. Polymer Interface and Adhesion. New York and Bael: Marcel Dekker, Inc., 1982. P. 337.

20. Васильева Н. В. Термин // Лингвистический энциклопедический словарь. М.: Сов. энциклопедия, 1990. 682 с.

21. Вайсгербер Й.-Л. Родной язык и формирование духа. М., 1993.