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

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

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:

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.

Виды адгезии, применение в промышленности

Понятие адгезии дословно обозначает прилипание разных по плотности и составу поверхностей. Это «прилипание» обеспечивают клейкие составы, которые изготавливаются на синтетической или натуральной основе, бывают односоставными или многокомпонентными. Представляют собой полимерные и неполимерные системы с разной прочностью связи, сопротивлением расслаиванию.

Обратите внимание! Соединять поверхности можно разными способами. Эти способы определяют виды адгезии.

• Механическая
  — самая простая. Происходит путем проникновения молекул адгезива (вещества) в верхний слой субстрата (поверхности). Здесь важно, чтобы поверхность была шероховатой для обеспечения хорошего сцепления или предварительно покрывалась грунтовкой (праймером). Тогда клей попадает в поры, чем увеличивает площадь покрытия и прочность воздействия на момент своего застывания.
• Химическая
  – считается самой прочной. Происходит на уровне атомной связи клея с поверхностью материала. Позволяет соединять разные по плотности вещества, выполнять сварку или пайку.
• Физическа
  я – работает по принципу электромагнитной связи между молекулами адгезива и субстрата. Противоположно заряженные частицы клейкого вещества и поверхности притягиваются по принципу действия магнита. Примером соединения будет заклеивание скотчем картонных коробок.
• Диффузионная
  – когда вещество проникает в молекулы полимера, словно вплетаясь в них и создавая прочные цепи. По такому принципу склеивают полимерные материалы с гладкими поверхностями.

Все перечисленные виды адгезии применяются в разных видах промышленности. Чаще всего – это полимерные составы, способные обеспечивать соединение, как однородных материалов (жестких, пластичных, жидкообразных, сыпучих), так и разных по плотности, составу. Причем процесс «склеивания», «прилипания» наблюдается уже на стадии подготовки сырья, его транспортировки. Используется в момент упаковки продукции, а также в период ее хранения.

Современные клеящие материалы позволяют добиваться разного рода фиксации:

• жесткой
  – когда адгезив проникает в поры и кристаллизуется; применяется по отношению к шероховатым поверхностям;
• пластичной
  – особый вид сцепления, когда клейкий состав не отвердевает, а остается эластичным и одновременно прочным на разрыв.

В них содержится меньше добавок в виде пластификаторов, растворителей, которые не всегда хорошо сказываются на способности материалов «прилипать». Пищевая промышленность вообще использует безопасные клейкие составы нового поколения на водной основе. Например, это касается изготовления упаковок – после употребления их можно повторно пускать в переработку для производства ликвидной вторичной продукции.

Что касается металлургии, здесь важно учитывать адгезивную способность металла. Она влияет на силу прилипания защитных красок и смесей. Такие покрытия предотвращают процесс коррозии, снижают контакт стальных, алюминиевых изделий с кислородом, водой, кислотами, щелочами. Эффективно защищают металлопродукцию от преждевременного разрушения.

Это же свойство адгезии применяет автомобильная, кораблестроительная промышленность, заводы по изготовлению приборов, станков, оборудования. В последнем случае к адгезии красок, грунтовок добавляется способность масла проникать в поры металла. Ведь большинство механизмов работает именно благодаря хорошей смазке металлических элементов.

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:

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:

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.

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.

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:

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…

Как измеряется адгезия?

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

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.

Последствия слабой адгезии

Последствия слабого сцепления можно наглядно увидеть при малярных работах. Процесс может проявляться на разных слоях по-разному. Отслоение грунта от основания происходит, если грунт был слишком сухим или нанесен толстым слоем. Причина отслоения краски от грунта — в несовместимости материалов или задержке нанесения краски. При слабом сцеплении слои краски начинают отделяться, этот процесс может затрагивать как один, так и все слои. Последствия могут проявится сразу, через 2-4 дня или даже через пару месяцев.

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:

Принципы работы, качество соединения

Подведем итоги о понятии адгезив: что это такое, как работает? Адгезивом называют сам клей, а его способность прилипать – адгезией. На липкость влияет не только состав вещества, тип поверхности, но и температура окружающей среды, показатель влажности, толщина нанесенного слоя. От всех перечисленных параметров зависит качество, долговечность будущего соединения.

Природную основу имеют клейкие составы на основе крахмала, вытяжки водорослей. Они представляют собой системы органических компонентов, безопасных для природы и человека. Но, не считаются долговечными, поскольку подвержены воздействию биологических бактерий (грибка, плесени).

Синтетическая продукция получается на основе растворимых полимеров. Отличается способом кристаллизации, силой склеивания, периодом полимеризации, прочностью на разрыв. Например, одни составы сразу же схватываются, а другие – долгое время остаются пластичными, обеспечивая многократный процесс приклеивания-отклеивания. В каждом случае остаются инертными по отношению к воздействию бактерий, имеют стойкость к ультрафиолету, влажности. Благодаря таким характеристикам являются более популярными и востребованными среди потребителей.

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.

Более пристальный взгляд на процесс адгезии

Два основных этапа для обеспечения адгезии, ее стабильности и простоты использования — это протравливание и методы полимеризации.

Протравливание

Для того, чтобы создать адгезию на эмали и дентине необходим этап “протравливания”. Обычно это производится с помощью раствора ортофосфорной кислоты.

Существует 3 разных методики протравливания:

Очевидное различия в трех представленных методиках — это использование ортофосфорной кислоты. Методика с использованием ортофосфорной кислоты обеспечивает лучшую поверхностную деминерализацию эмали, но не повышает постоперативную чувствительность пациента. Нет очевидной разницы в реакции на холодное между техников тотального протравливания или самопротравливания.

“Протравливание эмали с помощью ортофосфорной кислоты очень выраженное, эффективное и понятное”, утверждает Др. Бургесс. “В том случае, если вы переходите на составы с pH от 2.3 до 3.2 (обычные показатель для универсальных адгезивов), эти материалы не до конца обеспечивают достаточное открытие межпризменного пространства эмали, что может повлечь за собой микроподтекание и разрушение реставрации в будущем.”

Универсальные адгезивы могут работать в любых методиках протравливания и обеспечивать хорошее качество адгезии, а методики тотального и селективного протравливания показывают наилучшую адгезию к эмали.

Преимущество универсальных адгезивов заключается в том, что мы можем использовать их в методиках тотмального протравливания, селективного и самопротравливания”, говорит Др. Бургесс….

Полимеризация

При создании непрямых реставраций используются стоматологические цементы. В основном, есть три варианта отверждения цементов. Процесс отверждения так же называют полимеризацией.

Существуют материалы трех видов отверждения:

Материалы химического отверждения	Материалы светового отверждения	Материалы двойного отвеждения
Производится с помощью использования полимеризационной лампы. “Стоматологи используют данный вариант полимеризации, когда имеется ограниченный доступ лампы к засвечиваемой поверхности или тощина слоя материала не дает уверенности в том, что свет лампы сможет обеспечить полимеризацию на всю глубину”, поясняет Др. Бургесс.	Обязательное использованиеолимеризационного света. Композиты в основном содержат камфорохинон как фотоинициатор при полимеризации. Др. Бургесс обращает внимание на то, что наилучшая адгезия и стабильность цвета достигается с помощью светового отверждения материалов.	Могут быть полимеризованы как с помощью света, так и химическим способом.

Стоматологам обязательно нужно знать о методе отверждения того или иного материала, т.к. материалы светового и химического отверждения не могут быть использованы одновременно. Материалы двойного отверждения могут быть использованы в любом случае.

“Есть разница в использовании того или иного материала и некоторые из них не могут использоваться совместно,” говорит Др. Бургесс. “Если вы используете адгезив светового отверждения, а сверху наносите цемент химического отверждения, то такое сочетание не сработает.

Однако, были разработаны активаторы двойного действия. Они смешиваются с адгезивом. Добавление активатора не означает, что адгезив превращается в состав двойного отверждения, это означает, что адгезив становится совместим с цементами двойного отверждения”.

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:

Металл

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

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.

Адгезивные системы для прямых и непрямых реставраций

Стоматологи используют адгезивы для двух типов реставраций — прямых и непрямых. Способы применения в обоих случаях разнятся, поэтому доктору необходимо понимать как работать с адгезивом в каждой ситуации.

Применение адгезива

Адгезия в случае прямой реставрации — это процедура “приклеивания” композитного материала определенного оттенка, соответствующего оттенку реставрируемого зуба. В этом случае, процедура проводится с целью воссоздания функции или формы, или для восстановления цвета поврежденного зуба. Когда композитный материал внесен в полость зуба и ему придали нужную форму, его можно полимеризовать.

Адгезия в случае непрямых реставраций производится с реставрациями, которые были созданы лабораторным способом или с помощью CAD/CAM технологий в кабинете стоматолога. Создается слепок необходимого поврежденного зуба (зубов), либо же производится электронное оцифровывание необходимой зоны с помощью интраорального сканера. Далее данные или слепки отправляются в лабораторию зубному технику и он создает “непрямую” реставрацию для пациента. Готовая работа возвращается стоматологу, который устанавливает ее в полости рта пациента.

Др. Бургесс так же напоминает, что большинство стоматологов используют разные адгезивные системы. Однако, новые адгезивы — универсальные — могут быть использованы как для прямых, так и для непрямых реставрациях

“Если обратиться к данным опросов среди стоматологов, то большинство из них использует разные адгезивы в своей ежедневной практике,” утверждает Др. Бургесс. “Отдельный адгезив используется при непрямых реставрациях — при установке коронок, мостов, вкладок (инлей/онлей) — а так же отдельный адгезив используется для прямых реставраций — при использовании композитных материалов, Классов I, II, III, IV по Блэку”.

“…универсальные адгезивы могут использоваться при создании как прямых, так и не прямых реставрациях…”

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.

Препятствием к качественной адгезии при сварке могут служить следующие факторы:

Что такое когезия в строительстве?

Если просто, когезия — это связь между молекулами внутри материала. По сути, речь идёт о прочности материала (тела), например, плиточного клея, и его способности противостоять внешнему воздействию — “на разрыв”, если быть совсем точным “на когезионный разрыв”.

Разумеется, это речь идёт о “телах”, которые уже успели набрать свою заложенную прочность