Что такое адгезия? Свойства, виды, теории и методы исследований

Оглавление:

• Термин «адгезия»
• Единицы измерения
• Когезия и аутогезия
• Адгезионная прочность
• Теории механизма образования

• Адгезионные показатели материалов
• Усиление и снижение адгезии
• Каким материалам нужна оценка адгезии?
• Приборы
• Нормативные акты

Когезия — это внутренняя связь между одинаковыми молекулами внутри материала, в объеме тела. Когезия характеризует прочность тела и его способность противостоять внешнему воздействию.

Адгезия и когезия — это силы, действующие на молекулы на микроскопическом уровне. Разница между ними заключается в том, что адгезия предполагает притяжение между разнородными веществами, тогда как когезия — это притяжение между сходными молекулами или веществами.

Под аутогезией понимают слипание пленок, изготовленных из одного материала. При образовании многослойного покрытия, например, адгезионное взаимодействие реализуется между твердой поверхностью субстрата и ближайшим к ней слоем.

Разрушение склеенных поверхностей при испытании может быть различным. Если происходит полное отслаивание клеевой  пленки от подложки, это – адгезионный отрыв. Если разрушение происходит по клеевому слою или по склеиваемому материалу, то отрыв называется – когезионным.

Смачивание, частный случай адгезии, представляет собой взаимодействие жидкости с твердой или более плотной жидкой фазой при наличии одновременного контакта с тремя несмешивающимися фазами, одной из которых является газ (воздух).

В основе механизма склеивания лежит сложный процесс. С ним связано существование нескольких теорий, трактующих это явление с различных позиций. Единого мнения на данный момент не существует.

• Адсорбционная теория, согласно которой явление осуществляется в результате адсорбции адгезива на порах и трещинах поверхности субстрата.
• Механическая теория рассматривает адгезию, как результат проникновения молекул адгезива в верхний слой субстрата; объясняет склеивание только пористых материалов.
• Электрическая теория реализуется путем контактной электризации, имеющей место при тесном соприкосновении адгезива и субстрата. Адгезив и субстрат в адгезионном соединении отождествляются с обкладками электрического конденсатора, а процесс разъединения– с раздвижением обкладок конденсатора. При этом между пластинами возникает разность потенциалов, которая растет с увеличением зазора между ними до наступления электрического разряда.
• Сущность диффузной теории сводится к взаимной или односторонней диффузии молекул из адгезива в субстрат. Когда вещество проникает в молекулы полимера, вплетаясь в них, создавая прочные цепи. Позволяет понять механизм адгезии взаиморастворимых полимеров, не объясняя процессов склеивания металла, древесины, стекла.
• Химическая теория (самая прочная) объясняет адгезию, как результат химического взаимодействия компонентов на уровне атомной связи клея с поверхностью материала.

Хотя в раскрытии секретов адгезии достигнут значительный прогресс, все еще трудно окончательно определить их механизмы. По мере того, как проводится больше экспериментов и разрабатываются теоретические модели, становится все более очевидным, что сложность процессов требует многостороннего подхода для их полного понимания.

• Адгезивные показатели бетонных и кирпичных конструкций низкие за счет высокой плотности и гладкости. Прочность сцепления старой бетонной поверхности с новым бетоном еще ниже. Она не превышает 0,8-1,0 МПа. Поэтому обязательно следует использовать адгезионные составы (грунтовки и модификаторы) и учитывать тот момент, что к шероховатой и сухой поверхности адгезия выше.
• Адгезия бетона к металлу является также недостаточно прочной. Зачастую в строительстве применяются специальные смеси, которые обеспечивают надежное скрепление данных материалов. В несиловых металлических конструкциях в качестве адгезивов применяются полимеры на основе эпоксидных, полиуретановых, фенольных смол.
• Для соединения металла и стекла (прозрачных пластмасс типа оргстекла) в домашних условиях можно использовать двухсторонний скотч, либо светоотверждаемые акрилатные составы.
• Стекло показывает идеальную липкость с лаками, красками, герметиками, полимерными составами. Жидкое стекло прочно фиксируется с твердыми пористыми материалами.

• Адгезия современных строительных штукатурок и шпаклевок осуществляется, преимущественно, по принципу механического и химического соединения. Адгезия сухих смесей к железобетонным, кирпичным и каменным поверхностям – от 1,8-2,0 МПа и более.
• Адгезия плиточного клея начинается с 0,5 МПа и достигает 1,5-1,8 МПа. Чем выше вес плитки (керамогранита), больше проходимость у помещения, тем выше должны быть требования к степени «прилипания».
• Межслойная адгезия лакокрасочных покрытий представляет собой сцепление краски с различными материалами по механическому типу. Лучшие показатели клейкости ЛКМ к поверхности основания достигаются в том случае, если рабочая поверхность имеет шероховатость или пористость.
• Для связывания деревянных поверхностей с другими строительными материалами потребуется гипс, алебастр. Наилучшая адгезия дерева будет с битумом, красками и лаками.

Сцепление битума с поверхностью минеральных материалов (асфальтобетонный слой) является свойством, определяющим водоустойчивость асфальтов и долговечность асфальтобетонов.

Вследствие недостаточной адгезии под воздействием воды в слабых зонах происходит разрушение дороги. Для улучшения адгезии дорожных битумов с каменными материалами (песок, гранит, известняк, доломит) существуют адгезионные добавки. Они представляют собой молекулы поверхностно-активного вещества. ПАВ изменяют поверхностные свойства и полярности элементов дорожного покрытия, устанавливают сильную связь между слоями, оказывающую сопротивление отслаивающему действию воды.

Адгезионные характеристики являются важным фактором во многих отраслях промышленности и могут быть значительно улучшены за счет изменения состояния поверхности.

Эти методы часто включают механическую очистку, химическую обработку, вакуумирование и воздействие радиации или электромагнитов, в том числе:

• зачистка поверхности металлов от пыли, грязевых точек, жира и прочих;
• очистка, ошкуривание, струйная (дробеструйная) обработка абразивом;
• обезжиривание поверхности керосином, бензином, растворителем, спиртом (в зависимости от вида склеиваемых поверхностей);
• нанесение грунтовочных составов, шпаклевание;
• примешивание специальных добавок, пластификаторов и усилителей адгезии (активаторов, праймеров, металлоорганических вещества, полиэфиров, талька, смол);
• cмачивание водой.

Повышенная адгезия необходима для клеевых соединений, лакокрасочных покрытий, металлических пленок, ксерографии, очистки воды и воздуха в фильтрах, при изготовлении строительных конструкций и композиционных материалов.

Адгезионные свойства могут быть снижены под воздействием различных факторов, включая температуру, влажность, загрязнение, шероховатость поверхности, механические нагрузки и воздействие химических веществ.

Анализ свойства адгезии важен для понимания прочности связи между двумя материалами, предотвращения коррозии и истирания, а также для создания лучших клеев для различных целей. Первоочередное значение этот показатель имеет для строительных и отделочных составов. Его часто используют в процессах контроля качества, чтобы гарантировать, что покрытие будет должным образом прилипать и обеспечивать необходимую защиту или косметический вид.

• Лаки и краски. Степень адгезии лаков и красок является важным фактором, определяющим долговечность покрытия. Прочная связь между основным материалом и покрытием необходима для обеспечения защиты от условий окружающей среды и обеспечения высокого качества отделки.
• Цементы, цементно-песчаные составы. От надежности склеивания зависит безопасность строения. Например, использование материалов с низким уровнем адгезии может привести к таким проблемам, как скольжение кирпичной кладки по кладочному раствору, отслоение керамической плитки, а стена из пеноблока не продержатся долго.
• Герметики и прочие клеящие составы. При использовании смесей с плохими адгезионными свойствами качество соединения ухудшается.
• При проверке гидроизоляции кровли, трубопровода, гидроизоляционных составов, мастик и пароизоляций. Чем выше степень адгезии, тем качественнее составы и материалы будут выполнять свои защитные функции (минимизация теплопотерь).
• Магистральные трубопроводы и газопроводы. Для успешного нанесения защитных составов против коррозии.

Все способы относятся к разрушающим методикам контроля и проводятся на образцах-свидетелях, либо требуют восстановления поврежденных участков:

Метод отслаивания. Определение адгезии отслаиванием гибкой пластинки от армированного стеклотканью покрытия и измерении применяемого усилия.

Метод решетчатых надрезов (ГОСТ 31149). Визуальное обследование и оценка состояния по нанесенным на покрытие решетчатым надрезам по 4-х балльной системе.

Решетчатых надрезов с обратным ударом. Сущность метода заключается в нанесении решетчатых надрезов и оценке состояния решетки покрытия после ударного воздействия, оказываемого на обратную сторону пластины (для рассчитывания адгезии высокоэластичных покрытий).

Метод параллельных надрезов. Нанесение параллельных надрезов  и визуальный контроль по трехбалльной системе.

Х образный надрез (ГОСТ 32702.2). Используется при толщине покрытия более 250 мкм. Оценка по 6-балльной системе.

Метод отрыва (ГОСТ 32299). В ходе испытания замеряют предел прочности, требующийся для отрыва покрытия от защищаемой поверхности бетонной или железобетонной конструкции. Величину силы отрыва определяют по шкале адгезиметра и рассчитывают по формуле. Позволяет оценить силу, характер отрыва (адгезия\когезия), по какому слою произошел.

Совокупность методов измерения силы отрыва или скалывания при адгезии называется адгезиометрией. Адгезию можно изменить напрямую, нарушая адгезионный контакт, а также с помощью электромагнитных или ультразвуковых волн или других косвенных воздействий.

Раньше адгезионные способности материалов можно было измерять только в лабораторных условиях, но на текущий момент разработано большое количество специальных приборов, способных определить адгезию материла в полевых условиях — на объекте, строительной площадке.

Нож адгезиметр. Многолезвийный нож используется для расчета адгезии лакокрасочных покрытий толщиной до 200 мкм на изогнутых и плоских поверхностях методом надрезов (решетчатых и параллельных).

Механический отрывной адгезиометр – для контроля силы сцепления покрытия с основанием и между слоями по принципу измерения усилия отрыва грибка.

Механический прибор для контроля битумной изоляции при обследовании трубопроводов и металлоконструкций с покрытием на основе битумных мастик.

Лента для оценки адгезии. Используется совместно с наборами для тестирования адгезии методом поперечных насечек.