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黏着

/adhesion/
条目作者田煜

田煜

最后更新 2023-11-16
浏览 180
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两个接触物体表面在分离过程中表现出相互吸引的趋势。

英文名称
adhesion
所属学科
机械工程

黏着力来源通常可分为以下5种。

两个表面之间通过机械的作用黏附在一起。比如,鸟类或者甲壳虫通过脚趾末端的爪子可以牢牢地抓在树枝上,一些纺织黏合剂可以透过纤维之间的间隙形成“铆钉”将两个织物黏在一起。

两个表面通过化学键黏在一起,这些化学键包括较强的离子键、共价键,以及较弱的氢键。比如将两个经过等离子活化的聚合物表面贴合在一起,在这两个表面之间就可以形成化学键,这样的黏着作用很难被破坏。由于化学黏着要求两个表面上有可以形成化学键的原子或者分子,因此要求两个表面的材料组成要能匹配。而且,化学键的作用距离不超过1纳米,这就要求通过化学作用实现黏着的两个表面具有原子级的粗糙度。这些条件在日常生活中并不常见,因此化学黏着存在的范围有限,比较有名的是贻贝通过分泌的贻贝蛋白与岩石或者船体形成化学黏着,这一黏着现象为生物组织的缝合等提供了新的思路。

也被称为物理黏着,主要指两个表面通过范德华力(分子间相互作用力)吸附在一起。由于范德华力在自然界广泛存在,因此基于范德华力的黏着现象也随处可见。其中,最具代表性的是壁虎利用脚趾底部数量巨大的薄板结构与壁面之间的范德华力从而在墙壁和天花板上自由爬行,壁虎通过控制宏观的脚趾的卷入[注]/卷出[注]而控制剥离区域的变大/变小,从而实现脚趾与壁面的黏着/分离。壁虎的这种基于范德华力的黏着机制促进了新一代干黏着、无污染黏合剂的开发。另外一个比较常见的范德华力黏着现象是原子力显微镜[注]测力曲线的“加入”过程,这一现象正是原子力探针和基底之间的距离进入范德华力作用范围所引起的。关于色散黏着,研究人员提出了以下几种接触理论进行解释:约翰逊-肯德尔-罗伯茨[注]模型,德加金-马勒-托波洛夫[注]模型,玛吉斯-道格达勒[注]模型,这些考虑分子间作用力的模型在一定条件下可以相互转化,如图1所示。与化学黏着相似,色散黏着的作用范围也在纳米尺度。

黏着模型图黏着模型图

图中横坐标为反映黏着物体表面能、几何形状、力学特性的参数,纵坐标为无量纲的载荷参数。时DMT模型适用;时JKR模型适用;时MD模型适用,不考虑分子间作用力时为赫茨[注]模型。

两个物体表面由于存在性质相反的电荷而引起的吸附作用,这和平板电容器的结构类似。这一现在日常生活中会经常遇到,比如在比较干燥的秋冬季节,长头发的人会发现自己的头发经常会贴到旁边人的衣服上。

两个接触的物体在界面处发生材料的相互渗透而使界面变得模糊从而使两个表面黏在一起。当物体的分子可以自由移动或者两物体的组成分子相似时这种渗透会发生得更加剧烈,比如两个橡胶材料的接触,高分子链会在界面处相互接连、缠绕,从而增加黏着点的数目和强度。而且,两个表面接触时间的增加以及接触区温度的升高都会提高黏着强度。

  • ISRAELACHVILI J N.Intermolecular and surface forces. 3rd edition.San Diego:Academic press,2011.
  • MAIER G P, RAPP M V, WAITE J H, et al..Adaptive synergy between catechol and lysine promotes wet adhesion by surface salt displacement.Science,2015,349(6248):628-632.
  • JOHNSONo K L, GREENWOOD J A.An adhesion map for the contact of elastic spheres.Journal of colloid and interface science,1997,192(2):326-333.

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