Адгезионными свойствами что это
Адгезионные свойства строительных и отделочных материалов как и чем измеряются
Адгезия – это сцепление различных по своему составу и структуре материалов, обусловленное их физическими и химическими свойствами. Термин адгезия произошёл от латинского слова adhesion – прилипание. В строительстве дают более узконаправленное и специфическое обозначение тому, что такое адгезия – это способность декоративно-отделочных покрытий (ЛКМ, штукатурки), герметизирующих или клеящих смесей к прочному и надёжному соединению с внешней поверхностью материала основания.
Впечатляющая демонстрация эффекта адгезии современных клеевых составов
Важно: Следует различать понятия адгезия и когезия. Адгезия соединяет разнотиповые материалы, затрагивая только поверхностный слой, К примеру, краска на металлической поверхности. Когезия– это соединение однотипных материалов, в результате которого образуется межмолекулярные взаимодействия.
Адгезия, что это такое – теоретические основы
Адгезия является одним из ключевых свойств материалов в следующих областях:
Практически на всех этапах строительства контролируются показатели адгезии для следующих соединений:
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:
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:
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:
Такие модификаторы существенно изменяют следующие основные характеристики строительных смесей:
Пример плохой адгезии штукатурки к кирпичной стене
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.
Приготовление двухкомпонентного полиуретанового герметика Сазиласт
Из всех перечисленных разновидностей, отверждающиеся герметики обеспечивают максимальную надёжность сцепления с микро неровностями 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.
Как измеряется адгезия?
Технология измерения адгезии, способы испытания, а также все показатели прочности соединения материалов указаны в следующих нормативах:
ГОСТ 27325 – ЛКМ к дереву и т.п.
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
Адгезиметр СМ-1У
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:
Методы повышения адгезии
В строительстве существует несколько универсальных способов повышения адгезии декоративных отделочных материалов с поверхностью основания:
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:
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:
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 бор азотных 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:
Газовая или плазменная сварка металла является когезией, так как молекулы двух элементов соединяются в результате расплава материала
Подводя итоги
Адгезия является одной из важнейших характеристик многих процессов современного строительства, поэтому для её увеличения разрабатываются всё новые методы. Их применение обеспечит большую долговечность строительным конструкциям и отделочным материалам, что в конечном итоге даст существенную экономию.
Адгезия, прилипание (adhesion)
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 жидкости к жидкости или жидкости к твердому телу
С точки зрения термодинамики причина адгезии — уменьшение свободной энергии на единице поверхности адгезионного шва в изотермически обратимом процессе. Работа обратимого адгезионного отрыва Wa определяется из уравнения:
где σ1 и σ2 – поверхностное натяжение на границе фаз соответственно 1 и 2 с окружающей средой (воздухом), а σ12 — поверхностное натяжение на границе фаз 1 и 2, между которыми имеет место адгезия.
Оба уравнения, приложимые в случае, когда хотя бы одна фаза жидкая, совершенно неприменимы для оценки прочности адгезионной связи между двумя твердыми телами, так как в последнем случае разрушение адгезионного соединения сопровождается различного рода необратимыми явлениями, обусловленными различными причинами: неупругими деформациями адгезива и субстрата, образованием в зоне адгезионного шва двойного электрического слоя, разрывом макромолекул, «вытаскиванием» продиффундировавших концов макромолекул одного полимера из слоя другого и др.
Адгезия полимеров друг к другу и к неполимерным субстратам
Почти все применяемые в практике адгезивы представляют собою полимерные системы или образуют полимер в результате химических превращений, происходящих после нанесения адгезива на склеиваемые поверхности. К неполимерным адгезивам можно отнести только неорганические вещества типа цементов и припоев.
Методы определения адгезии и аутогезии:
Определение адгезии расслаиванием более целесообразно в случае измерения прочности связи между тонкой гибкой пленкой и твердым субстратом, когда в условиях эксплуатации отслаивание пленки идет, как правило, от краев путем медленного углубления трещины. При адгезии двух жестких твердых тел более показателен метод отрыва, т. к. в этом случае при приложении достаточной силы может произойти практически одновременный отрыв по всей площади контакта.
Адгезиометр
Адгезию и аутогезию при испытании на отрыв, сдвиг и расслаивание можно определять на обычных динамометрах или на специальных адгезиометрах. Для обеспечения полноты контакта адгезива и субстрата адгезив применяют в виде расплава, раствора в летучем растворителе или мономера, который при образовании адгезионного соединения полимеризуется. Однако при отверждении, высыхании и полимеризации адгезив, как правило, претерпевает усадку, в результате чего на межфазной поверхности возникают тангенциальные напряжения, ослабляющие адгезионное соединение.
Напряжения эти могут быть в значительной мере устранены:
На определяемую при испытании прочность адгезионной связи существенным образом могут влиять:
О значениях прочности адгезии или аутогезии, можно говорить, конечно, лишь в случае, когда разрушение происходит по межфазной границе (адгезия) или в плоскости первоначального контакта (аутогезия). При разрушении образца по адгезиву получаемые значения характеризуют когезионную прочность полимера. Некоторые ученые считают, однако, что возможно только когезионное разрушение адгезионного соединения. Наблюдающийся адгезионный характер разрушения, по их мнению, лишь кажущийся, поскольку визуальное наблюдение или даже наблюдение с помощью оптического микроскопа не позволяет обнаружить на поверхности субстрата остающийся тончайший слой адгезива. Однако в последнее время и теоретически и экспериментально было показа но, что разрушение адгезионного соединения может носить самый разнообразный характер — адгезионный, когезионный, смешанный и микромозаичный.
О способах определения прочности адгезионной связи см. испытания лакокрасочных материалов и покрытий.
Теории адгезии
Механическая адгезия
Согласно этой концепции, адгезия осуществляется в результате затекания клея в поры и трещины поверхности субстрата и последующего отверждения клея; если поры имеют неправильную форму и особенно если они расширяются от поверхности в глубь субстрата, образуются как бы «заклепки», связывающие адгезив и субстрат. Естественно, что адгезив должен быть достаточно твердым, чтобы «заклепки» не выскальзывали из пор и щелей, в которые он затекает. Механическая адгезия возможна также в случае субстрата, пронизанного системой сквозных пор. Такое строение характерно, например, для тканей. Наконец, третий случай механической адгезии сводится к тому, что ворсинки, находящиеся на поверхности ткани, после нанесения и отверждения клея оказываются прочно внедренными в адгезив.
Несмотря на то что механическая адгезия в некоторых случаях безусловно играет существенную роль, только ею, по мнению большинства исследователей, нельзя объяснить все случаи склеивания, т. к. хорошо склеиваться могут и совершенно гладкие поверхности, не имеющие пор и трещин.
Молекулярная теория адгезии
Согласно этой теории, предложенной Дебройном, адгезия обусловлена действием ван-дер-ваальсовых сил (дисперсионных сил, сил взаимодействия между постоянными или между постоянным и наведенным диполями), взаимодействием ион — диполь или образованием водородных связей. Свою теорию адгезии Дебройн обосновал следующими фактами:
При расстоянии между молекулами адгезива и субстрата меньше 0,5 нм начинают действовать ван-дер-ваальсовы силы.
A = k [ COOH] n
где [СООН] — концентрация карбоксильных групп в полимере; k и n — константы.
Долгое время оставалось неясным, могут ли межмолекулярные силы обеспечить наблюдаемую на опыте адгезию.
Однако проведенные в последнее время теоретические расчеты показали, что межмолекулярные силы могут обеспечить наблюдаемую на опыте прочность адгезионного взаимодействия даже в случае неполярных адгезива и субстрата. Несоответствие работы, расходуемой на отслаивание, работе, затрачиваемой против действия адгезионных сил, объясняется тем, что первая включает также работу деформации элементов адгезионного соединения. Наконец, зависимость работы адгезии от скорости расслаивания может быть удовлетворительно истолкована, если на этот случай распространить представления, объясняющие зависимость когезионной прочности материала от скорости деформации влиянием тепловых флуктуации на распад связей и релаксационными явлениями.
Электрическая теория адгезии
Авторами этой теории являются Дерягин и Кротова. Позднее аналогичные взгляды развивали Скиннер с сотрудниками (США). Свою теорию Дерягин и Кротова основывают на явлениях контактной электризации, происходящей при тесном соприкосновении двух диэлектриков или металла и диэлектрика. Основные положения этой теории заключаются в том, что система адгезив—субстрат отождествляется с конденсатором, а двойной электрический слой, возникающий при контакте двух разнородных поверхностей,— с обкладками конденсатора. При отслаивании адгезива от субстрата, или, что то же, раздвижении обкладок конденсатора, возникает разность электрических потенциалов, которая повышается с увеличением зазора между раздвигаемыми поверхностями до определенного предела, когда наступает разряд. Работу адгезии в этом случае можно приравнять к энергии конденсатора и определить по уравению (в системе СГС):
где σ — поверхностная плотность электрических зарядов; h — разрядный промежуток (толщина зазора между обкладками); εa — абсолютная диэлектрическая проницаемость среды.
При медленном раздвижении заряды успевают в значительной мере стечь с обкладок конденсатора. Вследствие этого нейтрализация первоначальных зарядов успевает закончиться при малом разведении поверхностей и на разрушение адгезионного соединения затрачивается небольшая работа. При быстром раздвижении обкладок конденсатора заряды не успевают стечь и их высокая начальная плотность сохраняется вплоть до наступления газового разряда. Это обусловливает большие значения работы адгезии, поскольку действие сил притяжения разноименных электрических зарядов преодолевается на сравнительно больших расстояниях. Различным характером удаления заряда с образующихся при расслаивании поверхностей адгезив—воздух и субстрат—воздух авторы электрической теории и объясняют характерную зависимость работы адгезии от скорости расслаивания.
На возможность электрических явлений при расслаивании адгезионных соединений указывает ряд фактов:
Наиболее прямым подтверждением явилось открытие явления электронной эмиссии, наблюдавшейся при отрыве пленок полимера от различных поверхностей. Значения работы адгезии, рассчитанные на основании измерения скорости эмитируемых электронов, удовлетворительно совпадали с экспериментальными результатами. Следует, однако, заметить, что электрические явления при разрушении адгезионных соединений проявляются лишь при совершенно сухих образцах и при больших скоростях расслаивания (не менее десятков см/сек).
Электрическая теория адгезии не может быть применена к ряду случаев адгезии полимеров друг к другу.
Диффузионная теория адгезии
Согласно этой теории, предложенной Воюцким для объяснения адгезии полимеров друг к другу, адгезия, как и аутогезия, обусловливается межмолекулярными силами, а диффузия цепных молекул или их сегментов обеспечивает максимально возможное для каждой системы взаимопроникновение макромолекул, что способствует увеличению молекулярного контакта. Отличительной чертой этой теории, особенно пригодной в случае адгезии полимера к полимеру, является то, что она исходит из основных особенностей макромолекул — цепного строения и гибкости. Следует заметить, что способностью к диффузии, как правило, обладают только молекулы адгезива. Однако если адгезив наносят в виде раствора, а полимерный субстрат способен набухать или растворяться в этом растворе, может происходить и заметная диффузия молекул субстрата в адгезив. Оба эти процесса приводят к исчезновению границы между фазами и к образованию спайки, представляющей постепенный переход от одного полимера к другому. Таким образом, адгезия полимеров рассматривается как объемное явление.
Совершенно очевидно также, что диффузия одного полимера в другой представляет собой явление растворения.
Взаиморастворимость полимеров, которая в основном определяется соотношением их полярностей, очень важна для адгезии, что вполне согласуется с известным правилом Дебройна. Однако заметная адгезия может наблюдаться и между несовместимыми, сильно различающимися по полярности полимерами, в результате т. н. локальной диффузии, или локального растворения.
Локальное растворение неполярного полимера в полярном можно объяснить неоднородностью микроструктуры полярного полимера, возникающей в результате того, что полимер, состоящий из цепей с полярными и неполярными участками достаточной протяженности, всегда претерпевает микрорасслаивание, подобное происходящему в смесях сильно различающихся по полярности полимеров. Такое локальное растворение вероятно в случае, когда диффундируют углеводородные цепи, т. к. в полярных полимерах объем неполярных участков обычно больше объема полярных групп. Этим и объясняется то, что неполярные эластомеры обычно проявляют заметную адгезию к полярным высокомолекулярным субстратам, в то время как полярные эластомеры к неполярным субстратам почти не прилипают. В случае неполярных полимеров локальная диффузия может обусловливаться наличием в одном или обоих полимерах надмолекулярных структур, исключающих диффузию в определенных участках межфазной поверхности. Значение рассмотренного процесса локального растворения, или локальной диффузии, для адгезии тем более вероятно, что, по расчетам, достаточно проникновения в субстрат молекул адгезива всего на несколько десятых нм (несколько Å), чтобы адгезионная прочность возросла во много раз. В последнее время Догадкиным и Кулезневым развивается концепция, согласно которой на межфазной поверхности контакта двух мало- или почти полностью несовместимых полимеров может про исходить диффузия концевых сегментов их молекул (сегментальная диффузия). Обоснованием этой точки зрения является то, что совместимость полимеров увеличивается с уменьшением их молярной массы. Кроме того, образование прочного адгезионного соединения может определяться не только взаимопереплетением молекулярных цепей в зоне контакта из-за объемной диффузии, но и диффузией молекул одного полимера по поверхности другого. Даже тогда, когда адгезия обусловливается чисто адсорбционными взаимодействиями, адгезионная прочность практически никогда не достигает своего предельного значения, поскольку активные группы молекул адгезива никогда не укладываются точно на активные места субстрата. Однако можно предположить, что с увеличением времени или с повышением температуры контакта укладка молекул будет становиться более совершенной в результате поверхностной диффузии отдельных сегментов макромолекул. Вследствие этого прочность адгезионного соединения будет возрастать. Согласно диффузионной теории прочность адгезионного соединения обусловлена обычными молекулярными силами, которые действуют между взаимопереплетенными макромолекулами.
Иногда адгезия полимеров невозможно объяснить с точки зрения их взаимодиффузии и приходится прибегать к помощи адсорбционных или электрических представлений. Это относится, например, к адгезии совершенно несовместимых полимеров или к адгезии эластомера к полимерному субстрату, представляющему собой сшитый полимер с весьма густой пространственной сеткой. Однако в этих случаях адгезия обычно невелика. Так как диффузионная теория предусматривает возникновение прочного переходного слоя между полимерами, образующими адгезионный шов, она легко объясняет несоответствие работы расслаивания работе, требующейся для преодоления сил, действующих между адгезивом и субстратом. Кроме того, диффузионная теория позволяет объяснить зависимость работы адгезии от скорости расслаивания исходя из тех же положений, на которых основано объяснение изменения прочности образца полимера при изменении скорости его растяжения.
Помимо общих соображений, указывающих на правильность диффузионной теории адгезии, имеются экспериментальные данные, говорящие в ее пользу. К ним относятся:
Влияние факторов, обусловливающих повышение адгезии или аутогезии полимеров, полностью коррелирует с их влиянием на диффузионную способность макромолекул.
Результаты количественной проверки диффузионной теории адгезии полимеров путем сопоставления экспериментально найденных и теоретически рассчитанных зависимостей работы расслаивания аутогезионного соединения от времени контакта и мол. массы полимеров оказались в хорошем согласии с представлением о диффузионном механизме образования аутогезионной связи. Диффузия макромолекул при контакте двух полимеров была доказана также экспериментально прямыми методами, в частности с помощью электронной микроскопии. Наблюдение за границей контакта между двумя совместимыми полимерами, находящимися в вязкотекучем или высокоэластичном состоянии, показало, что она размывается во времени, и тем в большей степени, чем выше температуpa. Значения скорости диффузии полимеров, рассчитанные по ширине размытой зоны, оказались достаточно высокими и позволяющими объяснить образование адгезионной связи между полимерами.
Все приведенное выше относится к простейшему случаю, когда наличие в полимере надмолекулярных структур практически не проявляется в рассматриваемых процессах и свойствах. В случае полимеров, на поведение которых существование надмолекулярных структур оказывает большое влияние, диффузия может осложняться рядом специфических явлений, например, частичным или полным диффузионным переходом молекул из надмолекулярного образования, расположенного в одном слое, в надмолекулярное образование в другом слое.
Адгезия, обусловленная химическим взаимодействием
Во многих случаях адгезия может быть объяснена не физическим, а химическим взаимодействием между полимерами. При этом точной границ между адгезией, обусловленной физическими силами, и адгезией, являющейся результатом химического взаимодействия, установить нельзя. Есть основание полагать, что химические связи могут возникать между молекулами почти всех полимеров, содержащими активные функциональные группы, между такими молекулами и поверхностями металла, стекла и др., в особенности, если последние покрыты оксидной пленкой или слоем продуктов эрозии. Надо также учитывать, что в молекулах каучуков имеются двойные связи, обусловливающие в определенных условиях их химическую активность.
Рассмотренные теории, основанные на преобладающей роли какого-нибудь одного определенного процесса или явления при образовании или разрушении адгезионной связи, приложимы к различным случаям адгезии или даже к различным сторонам этого явления. Так, молекулярная теория адгезии рассматривает лишь конечный результат образования адгезионной связи и природу сил, действующих между адгезивом и субстратом. Диффузионная теория, наоборот, объясняет лишь кинетику образования адгезионного соединения и справедлива только для адгезии более или менее взаиморастваримых полимеров. В электрической теории главное внимание уделяется рассмотрению процессов разрушения адгезионных соединений. Таким образом, единой теории, объясняющей явления адгезии, нет и, вероятно, не может быть. В различных случаях адгезия обусловливается разными механизмами, зависящими как от природы субстрата и адгезива, так и от условий образования адгезионной связи; многие случаи адгезии могут быть объяснены действием двух или нескольких факторов.