Что такое адгезия и когезия? Основные понятия, виды и способы применения адгезии в промышленности

• Что такое адгезия 
• Виды адгезии 
• Виды фиксации
• Что такое когезия и аутогезия
• Факторы, влияющие на качество адгезии 
• Усиление адгезии 
• Анализ адгезии 
• Тестирование качества адгезии
• Адгезия асфальтобетона и битума 
• Адгезионные свойства строительных и отделочных материалов

Что такое адгезия 

Адгезия - способность одного материала приклеиваться и удерживаться на поверхности другого. 

Адгезив - вещество, специально разработанное для поверхностного сцепления разнородных материалов. Материалы, предназначенные для соединения, называются субстратами, они являются основой, на которой формируется когезионное воздействие клея.

Адгезивом называют сам клей, а его способность прилипать – адгезией.

Молекулярное взаимодействие возникает в результате контакта молекул, атомов, ионов, функциональных компонентов, находящихся в поверхностных слоях. Силы притяжения, называемые силами адгезии, приводят к соединению разнородных тел.

Наглядным примером адгезии является соединение краски с металлической поверхностью. Получается надежное сцепление краски и штукатурки со стенами, потолками и бетонными основаниями.

Рис. 1. Механическое зацепление между адгезивом и субстратом на микроскопическом уровне

Прочность соединения зависит от состава, площади контакта, величины и направления приложенной внешней силы. Энергия, затрачиваемая на преодоление адгезионных сил, называется работой адгезии и представляет собой усилие, необходимое для разрыва связи. 

Надежная адгезия является важной характеристикой для любого покрытия. Способствуя повышению прочности и долговечности, она также защищает от воздействия окружающей среды. Если сцепление слабое, то покрытие может откалываться или расходиться тонкими слоями, приводя к коррозии и ухудшению характеристик основания.

В области металлургии необходимо обращать внимание на адгезионную способность металла. От нее зависит стойкость сцепления с поверхностью защитных лакокрасочных покрытий, смесей. Подобные покрытия препятствуют коррозионному процессу, уменьшают контакт стальных, алюминиевых изделий с кислородом, водой, кислотами, щелочами. Эффективно защищают металлические изделия от повреждений. Если требования к адгезии металла перед покрытием высокие (свыше 12 МПа), то для подготовки поверхности необходимо использовать технологию лазерной очистки. 

Рис. 2. Надрезы для проверки адгезии 

Виды адгезии 

Механическая адгезия достигается за счет проникновения молекул адгезива в верхний слой субстрата. Важным фактором является шероховатость поверхности или нанесение грунтовки. Клей проникает в поры основания, увеличивая площадь покрытия и повышая ударную прочность при отверждении. 

Химическая наиболее прочная форма, действующая на атомарном уровне, когда клей образует связи с поверхностью. Взаимодействие способствует соединению разнородных веществ, подобно процессам сварки и пайки.

Физическая основана на принципе электромагнитной связи между молекулами клея и субстрата. Заряженные частицы клея и поверхности притягиваются друг к другу, что схоже с электромагнитными силами. Примером физической адгезии может служить склеивание картонных коробок скотчем.

Диффузионная подразумевает проникновение вещества в молекулы полимеров, вплетение в их структуру и образование прочных цепей. Этот принцип эффективен для приклеивания полимерных материалов к гладким поверхностям.

Величина сцепления адгезии измеряется в Мегапаскалях (килограммах на квадратный сантиметр). В системе СИ – это Ньютон на 1 квадратный метр, т.е. Паскаль.

Виды фиксации 

Жесткая фиксация: Адгезив проникает в поры и кристаллизуется, образуя прочное соединение. Он хорошо проявляется на шероховатых поверхностях, используя пористую структуру для усиления межмолекулярных связей. 

Пластичная фиксация: Эта форма отличается сохранением эластичности и противодействием разрыву. В отличие от жесткой, пластичная не требует чрезмерного добавления пластификаторов или растворителей, сохраняя адгезионные свойства без снижения соединения с материалом. 

Что такое когезия и аутогезия 

Когезия - это внутренняя сила, которая связывает одинаковые молекулы в материале, сохраняя их близость и взаимодействие в основной массе вещества. Это свойство определяет прочность материала, его способность противостоять внешним воздействиям, структурным деформациям.

Адгезия относится к силам притяжения между разнородными молекулами или веществами, а когезия связана с силами притяжения, действующими между молекулами одного вида.

Рис. 3. Отличия адгезии и когезии 

Аутогезия же означает сцепление слоев или пленок, состоящих из одинакового материала. При создании многослойных покрытий, аутогезия проявляется как взаимодействие между твердой поверхностью подложки и ближайшим слоем или пленкой из того же материала.

Если происходит полное отделение пленки от подложки, значит адгезия разрушена. Если разрушение происходит в самом клеевом слое или в склеиваемом материале, то называется когезионным разрушением. Такие различия в типах разрушения способствуют более глубокому пониманию поведения материала и эффективности адгезионных процессов.

Факторы, влияющие на качество адгезии 

Адгезионные свойства могут снижаться под воздействием данных факторов:

• Температура: Сильная жара или холод ослабляют адгезионные свойства;
• Влажность: Избыточная влажность нарушает когезионные силы;
• Загрязнение: Инородные частицы препятствуют склеиванию;
• Шероховатость: Неровные поверхности ограничивают молекулярный контакт;
• Механическое напряжение: Деформация ослабляет адгезионные связи;
• Химическое воздействие: Химическое взаимодействие изменяет свойства материала.

Клеевые смеси на основе крахмала и экстракта водорослей имеют природную основу. Они являются органическими компонентами, безопасными для природы и человека. Однако они не долговечны, так как восприимчивы к биологическим бактериям (грибкам, плесени).

Усиление адгезии 

Для повышения адгезии необходимо изменить состояние поверхности материала: 

• Первым этапом является пескоструйная или лазерная очистка от пыли, грязи и жира. На этом этапе создается чистая основа;
• Химическая обработка. При обезжиривании поверхность очищается с помощью керосина, бензина, растворителей или спирта. Обработка устраняет молекулярные препятствия, повышая потенциал когезионных взаимодействий;
• Использование абразивных материалов, например, шлифовки или дробеструйной обработки, придает поверхности текстурную целостность. Это повышает адгезию за счет создания дополнительных точек соприкосновения;
• Грунтовочные составы и шпатлевки необходимы для подготовки и улучшения сцепления;  
• Для повышения эффективности соединения используются добавки, пластификаторы и усилители (активаторы, праймеры, металлоорганические вещества, полиэфиры, тальк и смолы);
• Смачивание водой улучшает контакт клея, усиливая потенциал соединения.

Анализ адгезии 

Анализ необходим для определения прочности связи между материалами, предотвращения коррозии и истирания, а также для разработки новых адгезивов. Он особенно важен для строительных и отделочных составов. Анализ способствует повышению качества и защиты таких покрытий как лаки, краски, цемент, цементно-песчаные составы, клеи. Он также необходим для гидроизоляции таких конструкций, как кровля, трубопроводы и пароизоляция. Анализ адгезии также необходим для защиты от коррозии магистральных трубопроводов и газопроводов.

Тестирование качества адгезии

Для оценки используются различные методы, каждый из которых позволяет получить представление о прочности и целостности соединения. Основные методы, используемые для проверки, включают:

Метод микроадгезии: Эта техника проводится с использованием микроскопических инструментов для количественного определения коэффициента адгезии между двумя поверхностями. 

Метод поперечного разреза: Метод поперечных надрезов предполагает нанесение на поверхность крестообразных надрезов с последующим наклеиванием клейкой ленты. Быстрое удаление ленты позволяет оценить качество адгезии, неповрежденное покрытие свидетельствует о качественном сцеплении.

Метод натирания: В этом методе наносится износостойкий материал, например абразив. Затем он подвергается истиранию, что позволяет оценить способность покрытия противостоять износу и сохранять свое положение.

Метод отрыва: Этот метод позволяет определить прочность путем постепенного применения силы к поверхности до тех пор, пока не произойдет отрыв. Сила, необходимая для отрыва покрытия от подложки, определяется количественно и показывает прочность соединения. 

Адгезия асфальтобетона и битума 

Адгезия битума к минеральным поверхностям, в частности к слоям асфальта необходима для водостойкости асфальтобетонных слоев и общей долговечности конструкции. 

Надежное соединение предотвращает разрушение дорог. Плохая адгезия может привести к пагубному воздействию инфильтрации воды, что приводит к нарушению целостности конструкции.

Для повышения адгезии дорожных битумов с минеральными наполнителями, такими как песок, гранит, известняк и доломит необходимо использование добавок. Эти добавки, часто в виде молекул поверхностно-активных веществ, выступают в роли важнейших агентов модификации. Благодаря этому молекулярному изменению между последовательными слоями дороги образуется прочная межфазная связь, эффективно снижающая отслаивание под воздействием воды.

По сути, адгезионные добавки на основе ПАВ выступают в роли посредников молекулярного взаимодействия, образуя крепкую связь между битумом и минеральными компонентами. 

Рис. 4. Сцепление асфальтобетона и битума 

Адгезионные свойства строительных и отделочных материалов

Бетон и каменная кладка: Высокая плотность и гладкость приводят к низкой адгезии. Грунтовка улучшает адгезию, шероховатые и сухие поверхности показывают лучшие результаты.

Сцепление бетона с металлом: Соединение между бетоном и металлом часто бывает недостаточно крепким. Специальные эпоксидные и полиуретановые составы обеспечивают надежное сцепление металлических конструкций.

Соединение металла со стеклом: Для соединения металла, прозрачных пластмасс, таких как оргстекло, используются двусторонние ленты или светоотверждаемые акрилатные составы.

Стекло: Стекло прочно соединяется с лаками, красками, герметиками, полимерами, особенно с твердыми пористыми материалами.

Строительные штукатурки и шпаклевки: В основе адгезии лежат принципы механического и химического сцепления. Сухие смеси хорошо сцепляются с такими поверхностями, как железобетон, кирпич, камень.

Клей для плитки: Адгезионная прочность составляет от 0,5 до 1,8 МПа, причем для более тяжелых плиток требуется более высокая адгезия для долговечного применения.

Лакокрасочные покрытия: Межслойная адгезия основана на механическом сцеплении, для достижения оптимальных результатов рекомендуется использовать шероховатые или пористые поверхности.

Деревянные поверхности: Гипс, алебастр необходимы для прочного соединения. Древесина может быть соединена с такими материалами как, битум, краски и лаки.