b. Thuyết phân tử:
4.2. Cơ sở hóa lý của quá trình kết dính 1 Sơ lược các lý thuyết về kết dính
1. Sơ lược các lý thuyết về kết dính
Sự kết dính được hiểu là liên kết phân tử giữa các bề mặt tiếp xúc nhau của các vật thể khác loại. Nói rộng hơn, sự kết dính chính là hiện tượng kết cấu với nhau của các vật liệu khác nhau. Trong phần này, sự kết dính được xét với chất kết dính là polyme (keo) với các vật liệu nền khác nhau.
Sự khác biệt về tính chất cơ học của keo và chất nền dẫn đến sự xuất hiện các ứng suất bổ sung trên bề mặt phân chia pha, từ đó có ảnh hưởng đáng kể đến độ bền liên kết.
Đối với các hệ polyme dị thể (polyme có độn, sơn, keo) yếu tố quan trọng nhất xác định độ tin cậy của hệ thống chính là độ bền và sự ổn định của các tiếp xúc giữa các cấu tử (polyme và nền). Để có thể điều chỉnh tính chất bền và các tính chất khác của liên kết dán (liên kết dán dưới đây được hiểu là liên kết giữa keo – polyme và nền – vật thể khác có thể là polyme hoặc không phải polyme) cần có những khái niệm cơ bản về các hiện tượng xảy ra khi hình thành sự kết dính.
Hiện nay các lý thuyết kết dính có khá nhiều, trong đó phổ biến nhất là các thuyết phân tử (hấp phụ), thuyết điện, thuyết khuếch tán, thuyết hóa học, thuyết lưu biến. Chi tiết về các thuyết này có thể đọc trong một số tài liệu (Nguyễn Hữu Niếu, Trần Vĩnh Diệu, Hóa lý Polyme, NXB Đại học quốc gia TP HCM, 2004). Dưới đây chỉ trình bày tóm tắt nội dung các thuyết trên.
Cơ sở của thuyết phân tử (hấp phụ) là khái niệm về tương tác phân tử giữa polyme và nền với điều kiện là chúng có những nhóm chức có khả năng tương tác với nhau. Quá trình hình thành kết dính xảy ra trong 2 giai đoạn: các phân tử polyme chuyển đến bề mặt nền và khi khoảng cách giữa nhỏ hơn 0,5nm thì bắt
đầu xuất hiện tương tác giữa các phân tử. Quá trình này tiếp tục cho đến khi thiết lập cân bằng hấp phụ. Minh chứng cho thuyết này là sự phụ thuộc của độ bền liên kết vào số lượng và loại nhóm chức có trong hệ thống.
Thuyết điện về kết dính cho rằng có một lớp điện tích kép được hình thành khi tiếp xúc hai lớp vật liệu khác loại. Theo thuyết này, liên kết của hai vật thể được coi là một tụ điện với 2 bản cực khác dấu và hút nhau. Nếu tách hai bản cực thì tụ điện sẽ phóng điện và quan sát thấy sự phóng điện tử. Tuy nhiên, hiện vẫn chưa chứng minh được sự đồng nhất giữa hai bề mặt tích điện của liên kết bị phá hủy với hai bề mặt trung hòa ban đầu, vì điện tích chỉ xuất hiện sau khi hai bề mặt tiếp xúc với nhau.
Theo khuyết khuếch tán, độ bền của liên kết được quyết định bởi sự khuếch tán vào nhau của các polyme (hoặc các vật liệu khác) qua bề mặt phân chia pha. Khi đó các yếu tố như thời gian khuếch tán, nhiệt độ, độ nhớt, khối lượng phân tử của các cấu tử v.v… sẽ ảnh hưởng đến độ bền. Tuy vậy, không thể sử dụng thuyết này để tính toán độ bền liên kết dựa trên các dữ liệu về tính chất ban đầu của các cấu tử. Nhìn chung, thuyết này không giải thích được sự kết dính của các vật liệu không có khả năng khuếch tán vào nhau, ví dụ kim loại hoặc thủy tinh.
Thuyết hóa học lại cho rằng để có được liên kết bền vững, các vật liệu khi tiếp xúc với nhau phải có tương tác với sự hình thành các liên kết hóa học qua bề mặt phân chia pha. Mặc dù các liên kết hóa học như vậy có khả năng được hình thành nhưng nhìn chung sự kết dính thường xảy ra trong các điều kiện rất khó, thậm chí không thể xuất hiện liên kết hóa học. Và nếu quả thật phản ứng hóa học có xảy ra thì cũng không thể khẳng định nó chỉ xảy ra trên bề mặt vật liệu cũng như không thể nói được mức độ ảnh hưởng của các phản ứng này đến độ bền liên kết. Thuyết lưu biến có cách tiếp cận khác về kết dính. Theo thuyết này, dù bản chất của sự kết dính trên bề mặt tiếp xúc hai vật liệu là gì đi nữa thì độ bền liên kết vẫn được quyết định bởi tính chất cơ lý và lưu biến của các vật liệu tạo nên liên kết. Khi nghiên cứu liên kết keo dán đã xác định được rằng sự phá hủy liên kết không xảy ra trên bề mặt phân chia pha, mà là phá hủy kết dính nội. Tuy
nhiên, thuyết này lại không đề cập đến vấn đề chủ yếu, đó là liên kết được hình thành bởi cái gì, cũng như các loại lực liên kết (Van der Waal, lực phân tán v.v…) có ảnh hưởng đến độ bền liên kết ra sao.
Cần thấy rằng mặc dù có những bước tiến lớn trong nghiên cứu về kết dính nhưng tới nay vẫn chưa thể khẳng định rằng cơ chế kết dính đã rõ ràng. Nguyên nhân chủ yếu của điều này là bản thân các lý thuyết về kết dính nêu trên cũng có sự biến đổi rất lớn. Có thể thấy rõ sự xích lại gần nhau của các thuyết về một số vấn đề cơ bản, trước hết là về sự đánh giá tương tác kết dính (hoặc độ bền kết dính) và vai trò của các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền. Ảnh hưởng của các yếu tố như năng lượng gây biến dạng nền và chất kết dính, độ bền kết dính nội, ứng suất dư và phân bố ứng suất trong liên kết v.v… đã được thừa nhận rộng rãi.
Khi đánh giá ảnh hưởng của các nhóm chức của chất kết dính đến tương tác giữa nó và nền, cần lưu ý rằng lúc đó các tính chất nội tại của chất kết dính (keo) cũng có thể thay đổi, trước hết là tính chất biến dạng. Do polyme trong liên kết luôn luôn ở trạng thái có ứng suất, độ bền của nó sẽ bị ảnh hưởng mà không phụ thuộc vào đặc tính của sự phá hủy.
Sự thay đổi tốc độ tác dụng lực sẽ làm thay đổi đáng kể độ bền cũng như hình thức phá hủy của liên kết dán. Để có thể tính đến các yếu tố này cần xuất phát từ quan điểm của cơ học chất rắn. Tuy nhiên, cách tiếp cận như vậy thường là định tính hoặc có tính mô phỏng, do đó không thể coi là đủ. Chỉ khi nào hiểu rõ cơ chế tương tác keo – nền mới có thể điều chỉnh và thay đổi các tính chất cơ – lý của liên kết dán theo hướng mong muốn.
Kết quả phát triển của thuyết điện đã dẫn đến sự xuất hiện thuyết điện tử. Theo thuyết này, sự hình thành lớp điện tích kép chính là kết quả của việc dịch chuyển các điện tử qua bề mặt phân chia pha chất kết dính – nền, trong đó polyme (chính xác hơn là các nhóm chức của nó) đóng vai trò cho (donor) hoặc nhận (acceptor) điện tử. Tương tác cho – nhận này sẽ làm xuất hiện các liên kết có độ bền khác nhau trên bề mặt phân chia pha. Có thể nói một cách gần đúng là
độ bền của các vật thể nói chung, liên kết dán nói riêng, được xác định bởi tương tác giữa các điện tử. Về mặt này thuyết điện tử đã gần với thuyết phân tử.
Thuyết khuếch tán ít bị biến đổi nhất trong các lý thuyết về kết dính. Hiện tượng kết dính các polyme tương hợp và ở trạng thái mềm cao được giải thích dễ dàng bởi sự khuếch tán các phân tử polyme hoặc các đoạn của chúng qua bề mặt phân chia pha. Tuy nhiên, dùng thuyết này rất khó giải thích sự kết dính của thủy tinh, kim loại v.v… vì sự khuếch tán các vật liệu này hầu như không xảy ra.
Mọi bề mặt vật liệu đều đặc trưng bởi mức độ gồ ghề vi mô nhất định. Khả năng của keo điền đầy các điểm lồi lõm này được xác định không những bởi sự thấm ướt mà cả bởi các tính chất lưu biến của keo. Đây chính là cơ sở của thuyết vi lưu biến, trong đó chủ yếu tính đến tương tác giữa các phân tử.
Thuyết phân tử (hấp phụ) lại dựa chủ yếu vào sự tương tác giữa các phân tử keo và chất nền. Tuy vậy, mức độ tương tác này có thể thay đổi rất lớn tùy thuộc vào điều kiện hình thành liên kết.
Cần rất thận trọng với những lập luận khẳng định rằng để có những liên kết dán đủ bền chỉ cần hình thành các liên kết hóa học (hoặc chỉ cần các liên kết giữa các phân tử) giữa keo và nền. Dĩ nhiên trong bất kỳ một liên kết dán nào cũng có thể xuất hiện các liên kết hóa học nào đó giữa keo và vật liệu được dán. Tuy vậy, không có gì chứng minh rằng chỉ các liên kết hóa học này tạo ra độ bền liên kết. Trong một hệ thống thực tế, bên cạnh các kiên kết hóa học thường đồng thời xuất hiện các liên kết vật lý như liên kết hydro, liên kết Van der Waal v.v… Về mặt năng lượng, từng liên kết này yếu hơn liên kết hóa học nhưng số lượng của chúng lại hơn hẳn do chúng dễ hình thành hơn. Kết quả là tổng năng lượng các liên kết vật lý (năng lượng thấp nhưng số lượng lớn) có thể lại lớn hơn so với các liên kết hóa học (năng lượng lớn nhưng số lượng nhỏ). Ngoài ra cần đặc biệt lưu ý các liên kết cho – nhận vì năng lượng của loại liên kết này nằm ở khoảng giữa liên kết hóa học và liên kết vật lý.
Như vậy vấn đề là ở chỗ tách bạch được phần đóng góp của các yếu tố hóa học và vật lý vào độ bền liên kết dán. Điều này rất phức tạp và nhiều khi không
thể thực hiện được. Tuy nhiên, với các mục đích thực tế thì thường chỉ cần hình dung một cách định tính ảnh hưởng của các yếu tố này đối với một sản phẩm cụ thể nào đó mà thôi.