Адгезионные свойства. Адгезия – что это такое в строительстве простыми словами. Адгезия к основным строительным материалам

АДГЕЗИЯ (от латинского adhaesio - прилипание, сцепление, притяжение), связь между разнородными конденсированными телами при их молекулярном контакте. Частный случай адгезии - аутогезия, проявляется при соприкосновении однородных тел. При адгезии и аутогезии сохраняется граница раздела фаз между телами, в отличие от когезии, определяющей связь внутри тела в пределах одной фазы. Наибольшее значение имеет адгезия к твёрдой поверхности - субстрату. В зависимости от свойств адгезива (прилипшего тела) различают адгезию жидкости и твёрдых тел (частиц, плёнок и структурированных масс, например теста, расплавов, битумов). Аутогезия возникает между твёрдыми плёнками в многослойных покрытиях и между частицами дисперсных систем и композиционных материалов (порошков, грунта, бетона и др.), определяя их прочность.

Адгезия зависит от природы контактирующих тел, свойств их поверхностей и площади контакта. Адгезия определяется силами межмолекулярного притяжения и усиливается, если одно или оба тела электрически заряжены, если при контакте тел образуется донорно-акцепторная связь, а также вследствие капиллярной конденсации паров (например, воды). Адгезия может изменяться при возникновении химической связи между молекулами адгезива и субстрата, в процессе диффузии и при взаимном проникновении молекул контактирующих тел, при адсорбции на границе раздела фаз и образовании адсорбционных слоёв, а также за счёт подвижности полимерных цепей. В результате этих процессов в зоне контакта адгезива и субстрата может образовываться граничный слой, определяющий адгезию. Между твёрдыми телами в жидкой среде формируется тонкий слой жидкости и возникает расклинивающее давление, препятствующее адгезии. Истинная площадь контакта между адгезивом и субстратом (определяется шероховатостью поверхностей, упругой и пластической деформацией в зоне контакта твёрдых тел, а в случае жидкости - смачиванием выемов шероховатой поверхности) меньше номинальной.

Равновесная работа адгезионных капель определяется краевым углом смачивания и поверхностным натяжением жидкости. Адгезия твёрдых тел измеряется величиной внешнего воздействия при отрыве адгезива, адгезия и аутогезия отдельных частиц - средней силой (рассчитывается как математическое ожидание), порошка - удельной силой. При отрыве плёнок и структурированных тел измеряется адгезионная прочность, которая, кроме адгезии, включает усилие на деформацию и течение образца, разрядку двойного электрического слоя и другие побочные явления. При адгезии, слабой по сравнению с когезией, имеет место адгезионный отрыв, при относительно слабой когезии - когезионный разрыв адгезива. Адгезия полимерных, лакокрасочных и других плёнок определяется смачиванием и условиями формирования площади контакта жидким адгезивом, при его затвердевании - внутренним напряжением и релаксационными процессами, прочность клеевых соединений - ещё и когезией отвердевшей клеевой прослойки.

Мельчайшие наноразмерные частицы обладают повышенной адгезией за счёт значительного избытка поверхностной энергии, микрошероховатости, дефектов поверхностей и особенностей их образования (диспергированием, напылением атомного металла, конденсацией паров или растворённых веществ, термическим распадом и др.) и свойств самих частиц (кристаллы, аморфные тела, полимеры и др.). Адгезия наночастиц определяет возможность создания принципиально новых каталитических и сенсорных систем, композитов и материалов для микроэлектроники и носителей информации.

В зависимости от требований практики адгезию можно увеличивать (например, для лакокрасочных покрытий) или снижать (например, при выпечке хлеба) путём введения добавок, способствующих модификации и изменению свойств контактирующих поверхностей, формированию граничного слоя, а также варьирования внешних условий (давление, температура) и воздействия электромагнитного, лазерного и других форм излучения.

Повышенная адгезия необходима для клеевых соединений, лакокрасочных покрытий и металлических плёнок, в процессе обогащения руды (в том числе при флотации), в ксерографии, при очистке воды и воздуха в фильтрах (в том числе электрофильтрах), в процессе формирования строительных и композиционных материалов (в том числе с использованием наночастиц) и др. Пониженная адгезия необходима для предотвращения загрязнений (в том числе радиоактивных) различных поверхностей, прилипания грунта и материалов к рабочим частям машин, в ходе добычи и транспортировки нефти, при смазке, для смачивания различных поверхностей, пропитки пористых материалов. Пониженная аутогезия необходима для предотвращения слёживаемости и др., а повышенная - для снижения эрозии почв и отрицательных последствий русловых процессов.

Совокупность методов определения адгезии называется адгезиометрией; приборы, их реализующие, - адгезиометрами. Адгезия может быть измерена при помощи прямых (усилия при нарушении адгезионного контакта), неразрушающих (по изменению параметров ультразвуковых и электромагнитных волн вследствие поглощения, отражения или преломления) и косвенных (характеризующих адгезию в сопоставимых условиях, например, отслаиванием плёнок после надреза, наклоном поверхности для порошков и др.) методов. Адгезия наночастиц определяется моделированием и путём сопоставления с силой трения.

Лит.: Дерягин Б. В., Кротова Н. А., Смилга В. П. Адгезия твердых тел. М., 1973; Зимон А. Д. Адгезия пыли и порошков. 2-е изд. М., 1976; он же. Адгезия пленок и покрытий. М., 1977; он же. Что такое адгезия. М., 1983; он же. Коллоидная химия. 4-е изд. М., 2003; Помогайло А. Д., Розенберг А. С., Уфлянд И. Е. Наночастицы металлов в полимерах. М., 2000; Физикохимия ультрадисперсных (нано-) систем. М., 2002; Сергеев Г. Б. Нанохимия. М., 2003.

Почему краска, наносимая на окрашиваемую поверхность по истечению некоторого времени прочно удерживается на ней? Почему штукатурное покрытие при застывании схватывается с основой? Почему в принципе возможно бетонирование? Ответ на эти вопросы один: всё дело в адгезии - явлении прилипания двух поверхностей, соединённых друг с другом.

Что же такое адгезия

Адгезия определяет возможность склеивания твердых тел с помощью клеящего состава, а также прочность связи декоративного или защитного покрытия с основой. Причиной появления адгезионной связи является влияние молекулярных сил (физическая адгезия ) либо сил химического взаимодействия (химическая адгезия ).

Интенсивность адгезии определяется давлением отрыва, которое следует приложить к покрытию (штукатурке, краске, герметику и т.д.), чтобы оторвать/отделить его от основы.

Таким образом, данный показатель принято измерять в единицах удельного усилия - мегапаскалях (МПа). Например, значение усилия отрыва (или прилипания, что одно и то же) в 1 МПа означает, что для отделения покрытия, имеющего площадь 1 мм 2 , следует приложить усилие в 1 Н (напомним, что 1 кг = 9,8 Н). Адгезионные показатели покрытий являются их основной характеристикой, которая обеспечивает необходимую прочность, надёжность, а также определяет трудоёмкость работы с ними.

Что влияет на адгезионную способность веществ, применяемых в строительстве

В процессе схватывания рабочей смеси в ней происходят различные процессы, которые обуславливают определённые изменения её свойств. В частности, при усадке растворной смеси возможно сокращение поверхности контакта с появлением растягивающих напряжений , которые приведут к образованию усадочных трещин . Как результат - ослабляется сцепление поверхностей. Например, сцепление старой бетонной поверхности с новым бетоном не превышает 0,9…1,0 МПа, в то время, как сцепление сухих строительных смесей (в состав которых входят компоненты, инициирущие процессы химической адгезии) с новым бетоном достигает 2 МПа и более.

Как улучшить адгезию

Обычно реализуют комплекс мер, обеспечивающих улучшение сцепляемости: проводят механическую (шлифование), физико-химическую (шпаклевание, грунтовка) и химическую (эластификация) обработку поверхности основы. Особенно эффективны указанные процессы в ремонтно-строительных работах, когда контактирующие поверхности разнородны не только по своему химсоставу, но и по условиям их образования.

Важно! Свежий щелочной цементный раствор всегда плохо сцепляется с поверхностью старого бетона, поэтому при работах со старым бетоном обязательно следует использовать многослойные адгезионные составы

Как измерить адгезионную способность материалов

ГОСТ 31356-2007 регламентирует определяющие показатели прочности сцепления сухих строительных смесей с основанием. О последовательности проведения тестовых испытаний материалов на их сцепляемость. Технология проведения подобных испытаний позволяет определить прочность сцепления таких покрытий, как керамическая плитка, различные защитные покрытия, штукатурка и т.д. с основанием.

Для контроля качества выполненных работ удобно использовать адгезиметр системы ОНИКС-АП NEW. Диапазон измерения усилий схватывания с применением данного прибора составляет 0…10 кН. При испытании измеряется усилие, которое необходимо для отделения или отрыва покрытия от поверхности основы в направлении, перпендикулярном плоскости покрытия. Удобство применения адгезиметра заключается в том, что с его помощью возможен оперативный контроль качества отделочных и штукатурных работ. Прибор компактен и удобен в обслуживании (см. рис. 1.2,3).

Рис.1. Определение усилия схватывания керамической плитки с помощью адгезиометра (шаг 1)

Термин «адгезия» нередко встречается документах по разным научным дисциплинам. Он применяется и в физике, и в химии, и в биологии. Однако у каждой науки свой подход к тому, что такое адгезия, определение которой с учетом всех граней явления дать не может пока ни один ученый. Правда, все сходятся в одном: она представляет собой соединение, взаимодействие различных частиц.

Если рассматривать ее как процесс, можно сказать, что адгезия - это явление, которое заключается в появлении взаимодействия между некоторыми конденсированными фазами. Когда происходит их молекулярный контакт, это взаимодействие приводит к возникновению новой гетерогенной сущности.

Если этот феномен понимать как свойство, то адгезия - это (в случае с жидкостями) взаимодействие между жидкой и твердой фазами на границе их раздела.

Физика

С позиций физики, адгезия - это сцепление поверхностей различных веществ при их соприкосновении. Причем вещества могут находиться как в одинаковом, так и в разном агрегатном состоянии. Таким образом, эффект может касаться двух твердых, двух жидких или жидкого и твердого веществ.

Вещества сцепляются под воздействием следующих факторов:

• возникают химические связи молекул двух веществ,
• происходит диффузия, когда молекулы первого вещества проникают под границу поверхности второго,
• действуют силы Ван-дер-Ваальса, возникающие тогда, когда происходит поляризация молекул.

Имеются еще частные случаи, когда может проявляться адгезия. Их часто путают. Это аутогезия и когезия.

Аутогезия возникает как следствие сцепления однородных тел, однако граница раздела фаз при этом сохраняется.

Когезия может возникать при взаимодействии молекул одного тела.

В природных условиях возникают случаи, когда адгезия из-за разнообразных внешних причин становится когезией. Такая ситуация возникает при диффузии в случае, если границы фаз становятся размытыми. В ряде случаев сила адгезионной связи между фазами может оказаться больше когезионной. Тогда, в зависимости от прочности вещества, при приложении силы к соединению веществ граница раздела сохраняется либо когезионные связи разрываются.

Химия

Химия имеет сходное с физикой видение процесса адгезии. Многие технологические процессы в химической промышленности взяли на вооружение практическое использование данного явления. Именно оно лежит в основе технологии изготовления композитных материалов, на нем же основано и производство лакокрасочных материалов. Понятие адгезии в химической науке применяют тогда, когда ведут речь о процессе склеивания поверхностей в твердом состоянии клеящим веществом (субстраты склеиваются адгезивом).

Биология

В биологической науке термин используется не в отношении молекул, а применительно к относительно большим по размерам биологическим частицам - клеткам. Адгезия - это такое соединение клеток, которое позволяет сформировать гистологические структуры правильно, а тип этих структур определяется спецификой клеток, участвующих во взаимодействии. Результат взаимодействия зависит от наличия на поверхности соединяющихся клеток определенных белков.

Влияние на свойства материалов

Адгезия обладает возможностью в значительной степени изменять характеристики поверхностей, пришедших в соприкосновение. Она может способствовать приобретению поверхностями низкого коэффициента трения. Если при этом вещества имеют твердую кристаллическую структуру, то становится возможным их дальнейшее использование в качестве антифрикционных смазок. Такие эффекты, как капиллярность и смачиваемость, также происходят вследствие этого явления.

Единица измерения

Когда происходит адгезия, энергия тела на некоторой части поверхности мгновенно становится меньше. По этой причине ее принятоизмерять работой или силой, потребовавшейся для того, чтобы оторвать друг от друга поверхности на определенной единице площади.

Применение адгезии в строительстве

Такое физическое явление, как адгезия, способствовало усовершенствованию технологического процесса изготовления стальных плит и блоков, имеющих тонкие и толстые стенки. Владение информацией о механизмах явления дало возможность увеличить производительность линий изготовления этой строительной продукции и заметно сократить вес конструкций.

Только это явление дает возможность производить окраску и покрытие лаком поверхностей стройматериалов, наносить гальванические и анодные покрытия. Эти операции способствуют созданию антикоррозийной защиты металла, приданию материалу товарного внешнего вида.

Знание природы явления оказывает существенную помощь в качественном склеивании разнообразных материалов и прочной их сварке. При участии адгезии производится покрытие металлов оксидными пленками, выполняющими защитные функции. Эффект находит применение при производстве бетонных работ - в ситуациях, когда не удается сразу добиться полной заливки бетоном объекта. При проведении повторной заливки два бетонных основания образуют между собой так называемый холодный стык, отрицательно влияющий на прочностные характеристики соединения. Адгезия также рекомендована к применению в случаях, когда необходимо отделить бетон от формы из стали. Другими способами эту операцию выполнить просто невозможно. Применение адгезии дает возможность успешно бороться с дефектами поверхностей готовых изделий из бетона.

Цементные растворы

Деление клеевых растворов с участием цемента на классы С1 и С2 базируется на оценке степени адгезии раствора к основанию после затвердевания. Адгезия раствора клея класса С1 к основанию по требованиям европейских стандартов качества должна составлять более 0,5 МПа, в то время как для цементного клеевого раствора класса С2 ее значение - не меньше 1,0 Мпа. Таким образом, разницу между двумя классами растворов определяет прочность адгезии.

Методы определения адгезии

Методы, которыми определяется адгезия (ГОСТ 15140-78):

• отслаивание;
• решетчатые надрезы;
• решетчатые надрезы с обратным ударом;
• параллельные надрезы.

Адгезия в металлургии

При адгезии происходит сохранение границы раздела фаз между телами. Адгезия металлов находит свое проявление тогда, когда производится коагуляция неметаллических включений в составе жидких металлов и сплавов. Адгезия содействует укрупнению неметаллических включений, что в дальнейшем приводит к их выведению из металла в шлак.

Эффект адгезии или смачивания неметаллических включений жидким металлом может:

• мешать извлечению включений из металла в том случае, если расплав металла хорошо смачивает неметаллические включения (в этом случае имеет место хорошая адгезия);
• создавать условия для удаления неметаллических включений из металла в ситуации, когда эти включения недостаточно смачиваются металлическим расплавом (в этом случае величина адгезии невелика).

При проведении холодной сварки практически все твердые металлы, находящиеся в пластичном состоянии, подвергаются соединению под давлением. Адгезия лежит в основе сцепления с металлом гальванических, оксидных, сульфидных покрытий, которые наносятся на поверхность металла с целью защиты изделий от коррозии. Адгезия покрытия обеспечивает надежное его сцепление подобных составов с поверхностью металлов. Она нашла свое применение в порошковой металлургии, когда формируются и спекаются изделия из металлических порошков.

Адгезия материалов широко применяется в случаях, когда необходимо паять, лудить, цинковать, наносить разнообразные лакокрасочные покрытия. Без нее не обходится создание различных композитных материалов. При изготовлении таких материалов частицы какого-либо вещества входят в контакт с основой сплава. Эффект увеличивается при наличии электрического заряда на поверхностях тел, что позволяет при соединении образовать донорно-акцепторную связь. Усиливается адгезия также при проведении химической очистки соединяемых поверхностей. Для этих целей используются обезжиривание, вакуумирование, ионная бомбардировка, воздействие электромагнитного излучения.

Активатор адгезии

Когда эксплуатируется автомобиль, поры мельчайших размеров на поверхности лакокрасочного слоя и полимерных деталей засоряются остатками пыли, смол, автохимии. Вследствие этого попытка что-нибудь приклеить на детали часто оканчивается неудачей вследствие плохой адгезии поверхности. Обезжиривание не позволяет устранить все загрязнения. Активатор адгезии разработан для использования при подготовке поверхностей перед нанесением декоративных пленок, наклеек, шильдиков, двустороннего скотча. Активатор существенно увеличивает адгезионные свойства поверхностей благодаря специально разработанному составу. Его применение позволяет гарантировать, что приклеивание будет надежным и позволит эксплуатировать соединяемые материалы в течение длительного времени. Высокая адгезия, обеспечиваемая активатором, является причиной высокого спроса на него.

Существует множество различных способов взаимодействия между физическими телами. Одним из них является адгезия поверхности. Давайте рассмотрим, что это за явление и какие оно имеет свойства.

Что такое адгезия

Определение термина становится более понятным, если выяснить, как образовалось данное слово. С латыни adhaesio переводится, как "притяжение, сцепление, прилипание". Таким образом, адгезия - это не что иное, как связь конденсированных разнородных тел, которая возникает при их контакте. Когда соприкасаются однородные поверхности, возникает частный случай данного взаимодействия. Он именуется аутогезия. В обоих случаях можно провести четкую линию раздела фаз между данными объектами. В противоположность им выделяют когезию, при которой происходит сцепление молекул внутри самого вещества. Чтобы было понятней, рассмотрим пример из жизни. Возьмем и обычную воду. Затем нанесем их на разные части одной и той же стеклянной поверхности. В нашем примере вода представляет собой вещество, которому присуща плохая адгезия. Это несложно проверить, перевернув стекло вверх ногами. Когезия же характеризует прочность вещества. Если склеить два кусочка стекла клеем, то соединение будет достаточно надежным, но если соединить их пластилином, то последний порвется посередине. Из чего можно сделать вывод, что его когезии для прочной связи будет недостаточно. Можно сказать, что обе эти силы дополняют друг друга.

Виды адгезии и факторы, влияющие на ее силу

В зависимости от того, какие тела между собой взаимодействуют, проявляются те или иные особенности прилипания. Наибольшее значение представляет собой адгезия, возникающая при взаимодействии с твердой поверхностью. Это свойство имеет практическую ценность при изготовлении всевозможных клеев. Кроме того, выделяют еще адгезию твердых тел и жидкости. Можно выделить несколько ключевых факторов, которые напрямую определяют силу, с которой будет проявляться адгезия. Это площадь контакта, природа контактирующих тел и свойства их поверхностей. Кроме того, если хотя бы один из пары объектов несет на себе то при взаимодействии появится донорно-акцепторная связь, которая усилит силу сцепления. Немалую роль играет капиллярная конденсация паров воды на поверхностях. Благодаря этому явлению между субстратом и адгезивом могут возникать химические реакции, что также увеличивает силу связи. А если твердое тело окунуть в жидкость, то можно заметить следствие, которое также вызывает адгезия, - это смачивание. Данное явление часто используется при окраске, склеивании, пайке, смазке, обогащении горных пород и т.д. Для устранения адгезии применяют смазку, которая препятствует непосредственному контакту поверхностей, а для ее усиления, наоборот, производят активацию поверхности посредством механической или химической очистки, воздействием электромагнитного излучения или добавления различных функциональных примесей.

Количественно степень такого взаимодействия определяется усилием, которое нужно приложить для того, чтобы разделить контактирующие поверхности. А для того чтобы измерить силу адгезии, используются специальные приборы, которые называют адгезиометрами. Сама же совокупность методов ее определения носит название адгезиометрии.

Адгезия, что это такое? И для чего она важна? Давайте попробуем разобраться в нашей статье.

Термин адгезия в переводе с латинского означает «прилипание» и характеризует свойство сцепления поверхностей твердых или жидких тел. Довольно часто характеристики строительных составов, используемых для штукатурных и лакокрасочных работ, оцениваются адгезионными свойствами.

Склеивание тел обеспечивает клеющее вещество – адгезив, представляющее собой полимерную систему. Однако полимер может образоваться в результате химических реакций между склеиваемыми поверхностями после нанесения адгезива. Неполимерные адгезивы представляют органические вещества, к которым относят цементы и припои.

Вещество, на который наносят адгезив, называется субстратом. Глубина проникновения зависит от вида и параметров адгезива, который после отвердения снять без разрушения невозможно. Адгезия – прилипание только верхних слоев материалов. Если процесс проникает во внутрь тел, то происходит когезия.

Для чего важна

В строительстве адгезия гарантирует качество и надежность почти во всех видах работ. Это свойство особенно важно для:

• лакокрасочных материалов, поскольку обеспечивает их сцепление и удержание;
• гипсовых и цементно песчаных смесей, качество отделки которыми обеспечивает эстетичность помещений.

Важно знать: только что нанесенный цементный раствор бетона плохо прилипает к старому. Работая со старым бетоном, необходимо применять адгезионные многослойные составы.

Металлургическое производство нуждается в агнезии специальных антикоррозийных составов и смесей. И, кроме того, требуются плохие адгезийные свойства с водой.

В медицине, например, в стоматологии необходима адгезия пломбируемого материала и зуба, чтобы обеспечить его качественную защиту и герметизацию.

Кратко о видах

По взаимодействию с поверхностями различают три адгезии:

• физическую;
• химическую;
• механическую.

Суть физической агнезии в электромагнитном взаимодействии соприкасаемых поверхностей на молекулярном уровне. Всем известно притягивание магнитом частиц, заряженных статическим электричеством.

Химическая связь взаимодействие адгезива с субстратом на атомном уровне с участием катализатора. Она отличается от физической возможностью сцепления поверхностей материалов разной плотности.

Механическая – проникновение адгезива в верхний слой соприкасаемой поверхности с последующим сцеплением. Такой процесс происходит, например, при окрашивании или лакокрасочном покрытии различных материалов.

Обратите внимание: улучшают агнезию мерами, которые обеспечивают сцепляемость: шпаклеванием, грунтовкой, обезжириванием субстрата, шлифованием.

Кроме того, исключают условия, ухудшающие агнезию. К ним относится наличие пыли, смазки или веществ, которые уменьшают пористость поверхности.

Об измерении адгезионной способности материалов

Основной принцип измерения адгезии – определение внешнего усилия, под воздействием которого разрушается адгезийная связь: равномерно, неравномерно или со сдвигом. Под виды разрушения разработаны методы испытаний.

Тестовые испытания проводят прибором адгезиметром по методикам международного и государственного уровня, разработанных для каждого способа разрушения.

Измерение адгезии лакокрасочного покрытия проводится согласно международному стандарту ISO 2409 «Метод решетчатых надрезов» прибором Адгезиметр РН.

В отечественном ГОСТе 15140-78 установлены методы определения адгезии при лакокрасочном покрытии металлических поверхностей. Нормативный документ дает определение сущности каждого метода, перечень аппаратуры для испытаний, описывает подготовку и проведение испытаний.

Значения адгезионных показателей покрытий необходимы для определения трудоемкости работы, обеспечения заданной прочности и надежности. Особенно они важны в строительстве, где часто встречаются контактирующие материалы, разнородные как по химическому составу, так и по условию образования.

Адгезиметры для определения внешнего усилия разными способами представлены в приборостроительном каталоге в разделе Приборы и оборудование контроля качества защитных покрытий.

Что такое адгезия или сцепление материалов, смотрите пояснения в следующем видео: