Адгезия: что это такое, для чего нужна, как её улучшить

Адгезия — это связь между приведенными в контакт разнородными поверхностями. Причины возникновения адгезионной связи — действие межмолекулярных сил или сил химического взаимодействия. Адгезия обусловливает склеивание твердых тел — субстратов — с помощью клеющего вещества — адгезива, а также связь защитного или декоративного лакокрасочного покрытия с основой. Адгезия играет также важную роль в процессе сухого трения. В случае одинаковой природы соприкасающихся поверхностей следует говорить об аутогезии (автогезии), которая лежит в основе многих процессов переработки полимерных материалов. При длительном соприкосновении одинаковых поверхностей и установлении в зоне контакта структуры, характерной для любой точки в объеме тела, прочность аутогезионного соединения приближается к когезионной прочности материала (см. когезия).

На межфазной поверхности двух жидкостей или жидкости и твердого тела адгезия может достигать предельно высокого значения, так как контакт между поверхностями в этом случае полный. Адгезия двух твердых тел из-за неровностей поверхностей и соприкосновения лишь в отдельных точках, как правило, мала. Однако высокая адгезия может быть достигнута и в этом случае, если поверхностные слои контактирующих тел находятся в пластическом или высокоэластичном состоянии и прижаты друг к другу с достаточной силой.

Адгезия, что это такое – теоретические основы

Адгезия является одним из ключевых свойств материалов в следующих областях:

1. Металлургия – антикоррозионные покрытия.
2. Механика – слой смазки на поверхности элементов машин и механизмов.
3. Медицина – стоматология.
4. Строительство. В данной отрасли адгезия является одним из главных показателей качества выполнения работ и надёжности конструкций.

Практически на всех этапах строительства контролируются показатели адгезии для следующих соединений:

• лакокрасочные материалы;
• штукатурные смеси, стяжки и заливки;
• клеящие составы, кладочные растворы, герметики и т.п.

Пример химической адгезии — реакция соединения силиконового герметика со стеклом

Существует три основных принципа адгезионного соединения материалов. В строительстве и технологии они проявляются следующим образом:

1. Механический — сцепление происходит путем прилипания наносимого материала к основанию. Механизм такого соединения заключается в проникновении наносимого вещества в поры внешнего слоя или соединении с шероховатой поверхностью. Примером, является окраска поверхности бетона или металла.
2. Химический — связь между материалами, в том числе различной плотности, происходит на атомном уровне. Для образования такой связи необходимо присутствие катализатора. Примером адгезии такого типа является пайка или сварка.
3. Физический — на сопрягаемых поверхностях возникает электромагнитная межмолекулярная связь. Может образоваться в результате возникновения статического заряда или под воздействием постоянного магнитного или электромагнитного поля. Пример использования в технологии — окрашивание различных поверхностей в электромагнитном поле.

Адгезионные свойства строительных и отделочных материалов

Адгезия строительных и отделочных материалов осуществляется, преимущественно, по принципу механического и химического соединения. В строительстве используется большое количество различных веществ, эксплуатационные характеристики и специфика взаимодействия которых кардинальным образом отличаются. Разделим их на три основные группы и охарактеризуем более подробно.

Лакокрасочные материалы

Адгезия ЛКМ к поверхности основания осуществляется по механическому принципу. При этом, максимальные показатели прочности достигаются в том случае, если рабочая поверхность материала имеет шероховатости или пористая. В первом случае существенно увеличивается площадь соприкосновения, во втором, краска проникает в поверхностный слой основания. Кроме того, адгезионные свойства ЛКМ увеличиваются благодаря различным модифицирующим добавкам:

• органосиланы и полиорганосилоксаны оказывают дополнительное гидрофобизирующее и антикоррозионное действие;
• полиамидные и полиэфирные смолы;
• металлоорганические катализаторы химических процессов отвердения ЛКМ;
• балластные мелкодисперсные наполнители (к примеру, тальк).

Краска с тальковым наполнителем — не вспучивающийся антипирен

Строительные штукатурки и сухие клеящие смеси

До недавнего времени, строительные и отделочные работы велись с использованием различных растворов на основе гипса, цемента и извести. Зачастую, их смешивали в определённой пропорции, что давало ограниченное изменение их основных свойств. Современные готовые сухие строительные смеси: стартовые, финишные и мультифинишные штукатурки и шпаклевки, имеют гораздо более сложный состав. Широко применяются добавки различного происхождения:

• минеральные — магнезиальные катализаторы, жидкое стекло, глиноземистый, кислотоустойчивый или безусадочный цемент, микрокремнезём и т.п.
• полимерные — диспергируемые полимеры (ПВА, полиакрилаты, винилацетаты и т.п.).

Такие модификаторы существенно изменяют следующие основные характеристики строительных смесей:

• пластичность;
• водоудерживающие свойства;
• тиксотропность.

Пример плохой адгезии штукатурки к кирпичной стене

Важно! Использование полимерных модификаторов даёт более выраженный эффект усиления адгезии. Однако образование устойчивых соединений полимерных плёнок на границе разнотипных материалов (основание — твердеющая штукатурка) возможно только при определённой температуре. Этот термин называется минимальной температурой плёнкообразования – МТП. У разных штукатурок она может быть различной от +5°С до +10°С. Во избежание расслоения, необходимо точно придерживаться рекомендаций производителя относительно температуры, как окружающей среды, так и основания.

Герметики

Герметики, использующиеся в строительстве, различают по трём различным типам, каждый из которых требует определённых условий для высокопрочной адгезии с материалом основания. Рассмотрим каждый тип подробнее.

• Высыхающие герметики. В состав входят различные полимеры и органические растворители: бутадиен-стирольные или нитрильные, хлоропреновый каучук и т.п. Как правило, имеют пастообразную консистенцию с вязкостью 300-550 Па. В зависимости от вязкости, наносятся либо шпателем, либо кистью. После их нанесения на поверхность, необходимо определённое время для высыхания (испарения растворителя) и образования полимерной плёнки.

Высыхающий акриловый герметик

• Невысыхающие герметики. Состоят, как правило, из каучука, битума и различных пластификаторов. Имеют ограниченную устойчивость к высокой температуре, не более 700С-800С, после чего начинают деформироваться.

Битумный невысыхающий состав, используется для герметизации ливневой водосточной системы

• Отверждающиеся герметики. После их нанесения, под воздействием различных факторов: влага, тепло, химические реагенты, происходит необратимая реакция полимеризации.

Приготовление двухкомпонентного полиуретанового герметика Сазиласт

Из всех перечисленных разновидностей, отверждающиеся герметики обеспечивают максимальную надёжность сцепления с микронеровностями поверхности основания. Кроме того, они устойчивы к высоким температурам, механическим и химическим воздействиям. Они имеют оптимальное сочетание жёсткости и вязкости, позволяющее сохранять первоначальную форму. Однако, являются наиболее дорогостоящими и сложными в использовании.

Адгезивные системы для эмали

Если речь идет об эмали, то адгезия здесь обеспечивается на основе микромеханической сцепки. Для этого используются гидрофобные жидкости, однако необходимого «прилипания» к влажному дентину они не дадут, поэтому также используется праймер. Обращение с эмалевыми адгезивами, имеющими однокомпонентный состав, строится на следующих этапах:

1. протравка эмали ортофосфорной кислотой – примерно полминуты,
2. удаление водяной струей травильного геля,
3. сушка эмали,
4. соединение в одинаковой пропорции веществ адгезивной системы,
5. введение аппликатором в полость зуба адгезива,
6. разравнивание его воздушной струей.

Только после выполнения всех выше перечисленных манипуляций врач осуществляет введение композитного материала.

Как измеряется адгезия?

Технология измерения адгезии, способы испытания, а также все показатели прочности соединения материалов указаны в следующих нормативах:

• ГОСТ 31356-2013 — шпаклёвки и штукатурки;
• ГОСТ 31149-2014 — лакокрасочные материалы;
• ГОСТ 27325 — ЛКМ к дереву и т.п.

Информация! Адгезия измеряется в кгс/см2, МПа (мегапаскали) или кН (килоньютоны) — это показатель силы, которую необходимо приложить, для разделения материалов основания и покрытия.

Способ определения адгезии лакокрасочных покрытий методом решётчатого надреза

Если раньше адгезионные характеристики материалов можно было измерять только в лабораторных условиях, то на данный момент существует множество приборов, которые можно использовать непосредственно на строительной площадке. Большинство методов измерения адгезии, как «полевых», так и лабораторных связаны с разрушением внешнего, покрывающего, слоя. Но есть несколько устройств, принцип действия которых основан на ультразвуке.

Таблица классификации результатов испытания лакокрасочных материалов

• Нож адгезиметр. Используется для определения параметров адгезии методом решётчатых и или параллельных надрезов. Применяется для лакокрасочных и плёночных покрытий толщиной до 200 мкм.

Нож адгезиметр, модель Константа-КН2

• Пульсар 21. Устройство определяет плотность материалов. Используется для выявления трещин и расслоений в бетоне как штучном, так и монолитном. Существуют специальные прошивки и подпрограммы, которые по плотности прилегания, позволяют определить прочность адгезии штукатурок различных типов к бетонным поверхностям.

Ультразвуковой измеритель адгезии, Пульсар 21

• СМ-1У. Используется для определения адгезии полимерных и битумных изоляционных покрытий методом частичного разрушения – сдвига. Принцип измерения основан на выявлении линейных деформаций изоляционного материала. Как правило, применяется для определения прочности изоляционного покрытия трубопроводов. Допускается использование для проверки качества нанесение битумной гидроизоляции на строительные конструкции: стены подвалов и цокольных этажей, плоские крыши и т.п.

Адгезиметр СМ-1У

Наглядный пример из жизни: штукатурка + плиточный клей + плитка

На самом деле все, кто трудиться на стройке очень часто сталкиваются с проявлениями этих видов разрушений.

Случай первый — когда когезионная прочность сильнее, чем адгезионная прочность:

Представим себе, что нам понадобилось демонтировать уложенную пару недель назад плитку.

Берём для этого широкое зубило, обычный молоток:

Этого друга можно смело награждать всевозможными почестями. Чего только он не видел — и барбекю с печами им клали и стены ломали…)

Зубило, шириной 10 см иногда очень выручает. Как только встретил его в Кастораме, сразу же купил.

Вставляем зубило между плиткой и основанием и начинаем производить удары, тем самым прилагая усилие “на разрыв”. Т.е мы не сверху бьём, а сбоку, иначе плитка разобьётся и эксперимент будет провален.

Если в этом случае плитка вместе с клеем легко отпадает от стяжки или штукатурки, не оставляя там следов или наоборот — весь клей остался на основании, а плитку даже и чистить не надо, то в этом случае адгезионное сцепление было крепче, чем когезионное. Т.е. когезия в данном случае проиграла.

Случай второй — когда адгезионная прочность сильнее, чем когезионная:

Если в нашем примере остаётся клей и на штукатурке и на плитке и разрыв идёт в слое плиточного клея, то здесь когезия была слабее нежели адгезия.

На фото яркий пример когезионного разрыва или “когезионного разрушения” внутри слоя — вся штукатурка, как видите на плитке.

На самом деле, в данном случае она осыпалась даже тогда, когда я просто проводил по ней пальцем… Да, и такое бывает…

Факторы, снижающие адгезию материалов

На снижение адгезии оказывают влияние различные физические и химические факторы. К физическим относится температура и влажность окружающей среды в момент нанесения декоративно-отделочных или защитных материалов. Также снижают адгезионные взаимодействия различные загрязнения, в частности, пыль покрывающая поверхность основания. В процессе эксплуатации влияние на прочность соединения лакокрасочных материалов может оказывать ультрафиолетовое излучение.

Химические факторы, снижающие адгезию, представлены различными материалами загрязняющими поверхность: бензин и масла, жиры, кислотные и щелочные растворы и т.п.

Также адгезию отделочных материалов могут снижать различные процессы, возникающие в строительных конструкциях:

• усадка;
• растягивающие и сжимающие напряжения.

Информация! Вещество, наносимое на поверхность для увеличения силы сцепления между основанием и отделочным материалом, называется адгезивом. Основание, на которое наносится адгезив, называется субстратом.

Ультрафиолетовые лучи, клеи отверждаемые УФ-облучением

Клеи, отверждаемые по этой технологии, – одни из самых «хитрых»! Для нормальной полимеризации клея необходимо одно очень важное условие: одна из поверхностей должна быть прозрачна!

Нанесение клея не требует спец. условий, продолжительное время может сохранять свои первоначальные свойства, позволяет подгонять поверхности и вообще можно делать практически все что угодно.

Главное, в процессе подгонки нельзя воздействовать на клей УФ-лучами!

Сейчас, в XXI веке, в эпоху хайтека, появилась мебель из стекла и металла. Вот как раз на УФ-клеях и собирают все эти детали.

Методы повышения адгезии

В строительстве существует несколько универсальных способов повышения адгезии декоративных отделочных материалов с поверхностью основания:

1. Механический – поверхности основания придают шероховатость, чтобы увеличить площадь соприкосновения. Для этого её обрабатывают различными абразивными материалами, наносят насечки и т.п.
2. Химический – в состав наносимых защитно-отделочных материалов добавляют различные вещества. Это, как правило, полимеры, образующие более прочные связи и придающие материалу дополнительную эластичность.
3. Физико-химический – поверхность основания обрабатывают грунтовкой, изменяющей основные химические параметры материала и оказывающей влияние на определённые физические свойства. К примеру, снижение влагопоглощения у пористых материалов, закрепление рыхлого внешнего слоя и т.п.

Обработка поверхности основания перед покраской абразивной шкуркой

Грунтование поверхности перед нанесением штукатурки

Способы увеличения адгезии к различным материалам

Более подробно остановимся на методах повышения адгезии для различных материалов, применяемых в строительстве.

Бетон

Бетонные стройматериалы и конструкции повсеместно применяются в строительстве. За счёт высокой плотности и гладкости поверхности их потенциальные адгезионные показатели довольно низкие. Для увеличения прочности соединения отделочных составов необходимо учесть следующие параметры:

• сухая или влажная поверхность. Как правило, адгезия к сухой поверхности выше. Однако были разработаны множество клеевых смесей, требующих предварительного смачивания поверхности основания. В данном случае необходимо обращать внимание на требования производителя;
• температура окружающей среды и основания. Большинство отделочных материалов наносится на бетонные поверхности при температуре воздуха не менее +5°С…+7°С. При этом бетон не должен быть замёрзшим;
• грунтовка. Используется в обязательном порядке. Для плотных бетонов, это составы с наполнителем из кварцевого песка (бетонконтакт), для пористых бетонов (пено-, газобетон), это грунтовки глубокого проникновения на основе акриловых дисперсий;
• добавление модификаторов. Готовые сухие штукатурные смеси уже имеют в своем составе различные адгезионные добавки. Если штукатурка замешивается самостоятельно, то в неё рекомендуется добавить: ПВА, акриловую грунтовку, вместо такого же количества воды, силикатный клей, придающий отделочному материалу дополнительные влагоотталкивающие свойства.

Результат нанесения цементной штукатурки на переохлажденную поверхность основания

Нанесение кварцевой грунтовки Knauf бетонконтакт

Металл

Ключевую роль в прочности соединения лакокрасочных материалов с металлической поверхностью играет способ и качество подготовки поверхности. В домашних условиях рекомендуется выполнить следующие действия:

• обезжиривание – обработка металла различными растворителями: 650, 646, Р-4, уайт-спирит, ацетон, керосин. В крайнем случае, поверхность протирается бензином;
• матирование – обработка основания абразивными материалами;
• грунтование – использование специальных красок праймеров. Они реализуются в комплекте с декоративными ЛКМ определённого типа.

Важно! Адгезия свинца, алюминия и цинка намного ниже, чем у чугуна и стали. Причина заключается в том, что эти металлы образуют на своей поверхности оксидные плёнки. Поэтому отслаивание лакокрасочных покрытий происходит по оксидному слою. Окрашивание этих материалов рекомендуется осуществлять сразу после удаления плёнки механическим или химическим способом.

Алюминий также подвержен коррозии, особенно при воздействии агрессивных веществ

Древесина и древесные композиты

Древесина является пористой поверхностью с большим количеством неровностей и не испытывает особых проблем с прочностью соединения отделочных материалов. Но нет предела совершенству, поэтому были разработаны различные технологии для улучшения адгезии в сочетании с сохранением защитных и декоративных свойств самой отделки. Их использование, к примеру, в сочетании с акриловыми красками, значительно улучшает атмосферостойкость, устойчивость к ультрафиолетовому выцветанию, придает биологическую защиту материалу. Поверхность древесины обрабатывается самыми разнообразными грунтовками, чаще всего, на основе боразотных соединений и нитроцеллюлозы.

Адгезия при сварочных работах

Сварка является одним из наиболее прочных методов соединения металлических конструкций. Это сцепление молекул двух элементов без использования промежуточных или вспомогательных веществ — клея или припоя. Происходит данный процесс под воздействием термической активации. Внешний слой соединяемых элементов нагревают выше температуры плавления, после чего происходит межмолекулярное сближение и соединение материалов.

Электросварочный шов. Соединение двух деталей электросваркой является адгезией, так как металл, использующийся в электроде, выступает в качестве адгезива

Препятствием к качественной адгезии при сварке могут служить следующие факторы:

• наличие оксидных плёнок. Они удаляются механически или химически при подготовке поверхности или исчезают непосредственно в процессе сварки под воздействием высокой температуры или флюсов;
• несоответствие химического состава материалов и электродов. Особое внимание следует уделять наличию и количеству кремния и углерода в соединяемых деталях. Для соединения сталей разных марок рекомендуется использовать электроды с низким содержанием диффузионного водорода;
• недостаточная глубина проплавления, которая напрямую зависит от силы тока и скорости передвижение электрода.

Газовая или плазменная сварка металла является когезией, так как молекулы двух элементов соединяются в результате расплава материала

Анаэробное отверждение

Клей отверждается в отсутствии воздуха (кислорода), а еще быстрее отверждается при контакте с металлом.

В момент прекращения доступа воздуха, при плотном контакте двух поверхностей, начинается реакция полимеризации, при которой клей, из жидкого состояния (Permabond A130 или отечественный анаэробный клей EFELE 113) переходит в твердое состояние.

Если существует доступ воздуха, и нет контакта с металлом, а склеить надо именно анаэробным клеем, рекомендуется использовать специальный активатор.