Что такое адгезия: простое объяснение термина

Адгезия — это способность различных материалов прилипать друг к другу. Она возникает из-за взаимодействия молекул на поверхности объектов, что позволяет им соединяться и удерживаться вместе. Это свойство играет важную роль в множестве процессов, таких как склеивание, окрашивание и даже в биологических системах, например, при взаимодействии клеток.

Адгезия может зависеть от особенностей поверхности, таких как шероховатость и химический состав, а также от условий окружающей среды, например, температуры и влажности. Понимание адгезии помогает улучшать технологии изготовления, упаковки и обеспечения надежных связей между материалами.

Физическая и химическая адгезия

Физическая адгезия основана на том, что при использовании лакокрасочных материалов (ЛКМ) они проникают в незаметные глазу поры поверхности, которую окрашивают. Во время высыхания краска или лак прочно «цепляется» за шероховатости рабочей поверхности. Следовательно, чем более пористым является основание, тем больше его реальная площадь, что ведет к более прочной адгезии.

Органические растворители, содержащиеся в органорастворимых ЛКМ, также могут попадать в поры. Однако при избыточной пропитке начнутся оборотные процессы: растворитель начнёт «выталкивать» красящий состав наружу при его испарении. В водорастворимых красках, таких как те, что предназначены для ПВХ, используются химические соединения, цель которых — увеличить пористость основания.

Механическая адгезия для органорастворимых и водорастворимых красок сопоставима по своим параметрам.

Химическое сцепление основано на химическом взаимодействии молекул ЛКМ с молекулами основания. На границе поверхностей формируется общий молекулярный слой, который принадлежит обеим «сторонам». Этот вид адгезионного контакта в десятки, а иногда и в сотни раз прочнее физического. И в случае с химическим водорастворимые за счет полярности явно выигрывают по качеству сцепления.

Как увеличить адгезию

Адгезионные характеристики зависят от множества факторов, что делает этот показатель переменным. Увеличить сцепление можно следующими способами:

• введение модификаторов в состав;
• применение промежуточного слоя, например, грунта;
• обезжиривание поверхности.

Важно провести тщательную подготовку основания:

• убрать пыль и загрязнения;
• обработать поверхность абразивным материалом для создания шероховатости;
• нанести насечки.

После этого требуется грунтовать поверхность и при необходимости применять шпаклевку, добавляя пластификаторы в раствор.

Последствия слабой адгезии

Качество «прилегания» лакокрасочного материала может снижаться в случае:

• наличия пыли или жира на поверхности — без предварительного очищения и обезжиривания невозможно проводить отделочные работы;
• основу обработали составом, уменьшающим пористость;
• основание отшлифовано или отполировано;
• промежуточный слой нанесен с нарушением технологии (неправильно разведен грунт);
• компоненты ЛКМ несовместимы с предыдущим покрытием;
• состав наносится слишком толстым слоем;
• не соблюден температурный режим.

При слабом сцеплении краска начинает отслаиваться, причем процесс может затрагивать все слои сразу или каждый по отдельности. Отслойка проявляется как сразу, через пару дней после окрашивания, так и в отдаленном периоде.

Модифицирующие добавки

При производстве красящих или тонирующих смесей производители добавляют соединения, которые улучшают адгезионные свойства конечного продукта:

• полиамидные смолы;
• сложные полиэфиры;
• органосиланы;
• полиорганосилоксаны;
• металлоорганические соединения, способствующие химическим реакциям;
• балластные вещества и наполнители.

Каждый материал и ЛКМ имеют свой уровень адгезии. Максимальная адгезия достигается, когда краска наносится на шероховатую, пористую, тщательно очищенную от грязи поверхность. Внешние факторы могут как усиливать, так и ослаблять адгезионный контакт.

Адгезионные свойства строительных и лакокрасочных материалов

Почему некоторые краски служат годами, а другие начинают отслаиваться через несколько месяцев? Ключевую роль играют адгезионные свойства, которые определяют, насколько надежно лакокрасочный материал «сцепляется» с поверхностью. Разберем, от чего зависят эти характеристики и как на них действовать.

Прежде всего, адгезионные свойства зависят от химической природы поверхности. Покрасить гладкую металлическую дверь — одно, а совсем другое — оштукатуренную стену или пористую древесину. Поверхности с микропорами и шероховатостями имеют больший потенциал механической адгезии, так как краска «вцепляется» в неровности основы. На гладких поверхностях адгезия сложнее, тут помогут специальные грунтовки, улучшающие сцепление (адгезионные праймеры).

Необходимо учитывать и внешние факторы. Влажность, температура и уровень загрязнения напрямую влияют на качество сцепления. Например, перед покраской нужно тщательно очищать и высушивать поверхность. Многие сталкивались с ситуацией, когда краска на влажной стене начинает пузыриться или отслаиваться — это результат плохой адгезии.

Сам материал краски или лака тоже играет важную роль. Адгезионные свойства зависят от химического состава ЛКМ, наличия в нем специальных добавок, усиливающих сцепление с различными подложками. Поэтому производители лакокрасочных материалов уделяют особое внимание составу, создавая продукты, подходящие для определенных условий: для металла, дерева, бетона, огнезащитных покрытий и т. д.

Важна толщина нанесенного слоя. Слишком тонкий слой может быть недостаточно прочным, а слишком толстый — отслаиваться под собственным весом. Поэтому следует соблюдать рекомендации по нанесению ЛКМ.

Виды адгезии

Как уже упоминалось, у данного процесса существует несколько видов, каждый из которых сказывается на качестве и долговечности лакокрасочного покрытия. Давайте подробнее рассмотрим каждый из них.

Механическая адгезия

Это наиболее очевидный вид сцепления, когда краска или лак заполняют микропоры и неровности основания, прочно зацепляясь за них. Именно поэтому перед покраской многие поверхности шлифуются, шкурятся или обрабатываются грунтовкой. Чем пористее поверхность, тем лучше краска будет фиксироваться на ней.

Физическая адгезия

Этот вид сцепления обусловлен физическими силами взаимодействия между молекулами краски и поверхности. Здесь в игру вступают молекулярное притяжение и поверхностное натяжение. Физическая адгезия важна для гладких и непористых материалов, например, стекла или металла.

Химическая адгезия

Здесь формируются химические связи между молекулами краски и самой подложкой. Это возможно, если материал подложки и краска имеют активные химические группы, способные взаимодействовать. Например, эпоксидные смолы образуют прочные химические связи с различными поверхностями, обеспечивая надежные и долговечные покрытия.

Адгезия на границе раздела фаз

Этот тип адгезии наблюдается, когда лакокрасочное покрытие и основание контактируют в жидком состоянии. Например, когда краска наносится на влажную или сырую поверхность. При испарении влаги образуется сцепление на границе раздела фаз, что создает особый тип прочного соединения. Тем не менее, такой вид адгезии зачастую требует соблюдения определенных условий, и, не выполнив их, можно столкнуться с проблемами, когда краска начинает отслаиваться.

Адгезия

Адге́зия (от лат. adhaesio – прилипание, сцепление, притяжение) является связью между разнородными конденсированными телами при их молекулярном контакте. Особый случай адгезии — аутогезия, наблюдаемая при взаимодействии однородных тел. При адгезии и аутогезии сохраняется граница раздела фаз между телами, в отличие от когезии, которая определяет связь внутри тела в пределах одной фазы. Наибольшее значение имеет адгезия к твердым поверхностям – субстрату. В зависимости от свойств адгезива (прилипшего вещества) различают адгезию жидкостей и твердых тел (частиц, пленок и структурированных масс, таких как тесто, расплавы, битумы). Аутогезия возникает между твердыми пленками в многослойных покрытиях и между частицами дисперсных систем и композиционных материалов (порошков, грунтов, бетона и др.), определяя их прочность.

Адгезия варьируется в зависимости от химических свойств контактирующих тел, состояния их поверхностей и площади контакта.

Эти свойства определяются межмолекулярными силами и усиливаются, если одно или оба тела несут электрический заряд или при образовании донорно-акцепторной связи в момент контакта, а В результате капиллярной конденсации паров, например воды.

Между твердыми телами в жидкой среде формируется тонкий слой жидкости, создавая давление, препятствующее адгезии. Истинная площадь контакта между адгезивом и субстратом меньше номинальной, что обусловлено шероховатостью поверхностей, упругими и пластическими деформациями в зоне контакта твердых тел, а в случае жидкости – смачиванием выемок шероховатой поверхности.

Равновесная работа капель определяется углом смачивания и поверхностным натяжением жидкости. Адгезия твердых тел измеряется величиной внешнего воздействия при отрыве адгезива, а адгезия и аутогезия частиц — средней силой, которая рассчитывается как математическое ожидание, для порошка – удельной силой.

При отрыве пленок и структурированных тел измеряется адгезионная прочность, которая, помимо адгезии, включает усилия на деформацию и течение образца, разрядку двойного электрического слоя и другие сопутствующие явления. При адгезии, менее сильной по сравнению с когезией, наблюдается адгезионный отрыв, и наоборот, 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 их 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 играет ключевую роль в создании новых каталитических и сенсорных систем, композитов и материалов для микроэлектроники. В зависимости от практических целей адгезию можно увеличивать (например, для лакокрасочных покрытий) или снижать (например, в процессе выпечки хлеба) путем добавления веществ, влияющих на свойства контактирующих поверхностей, формируя граничный слой или изменяя внешние условия (давление, температура) и используя электромагнитное, лазерное и другие виды излучений.

Увеличенная адгезия необходима для создания клеевых соединений, лакокрасочных покрытий и металлических пленок, в процессе обогащения руды (в том числе при флотации), в ксерографии, при очистке воды и воздуха, в фильтрах (включая электрофильтры), а также при формировании строительных и композиционных материалов (включая использование наночастиц) и прочих случаях. Сниженная адгезия важна для предотвращения загрязнений (включая радиоактивные) на различных поверхностях, от прилипания грунта и материалов к рабочим частям машин, в процессе добычи и транспортировки нефти, при смазке, для смачивания различных поверхностей и пропитки пористых материалов.

Пониженная аутогезия нужна для предотвращения слеживания и др., а увеличенная — для снижения эрозии почвы и уменьшения негативных последствий русловых процессов. Совокупность методов измерения адгезии называется адгезиометрией, а устройства, их реализующие, – адгезиометрами (или адгезиметрами).

Адгезию можно определить различными методами, включая прямые (измеряющие усилия, возникающие при нарушении адгезионного контакта), неразрушающие (посредством анализа параметров ультразвуковых и электромагнитных волн, которые изменяются в результате поглощения, отражения или преломления) и косвенные (описывающие адгезию в контролируемых условиях, как, например, отслаивание пленок после надреза или наклон поверхности для порошков). Адгезия наночастиц моделируется и сопоставляется с силами трения. А. Д. Зимон. Первая публикация: Большая российская энциклопедия, 2005.

Ван-дер-Ваальсовы силы

Интересным аспектом адгезии являются Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия. Эти слабые силы возникают из-за временных изменений распределения электрических зарядов в молекулах. Даже молекулы, не имеющие заряда, способны формировать временные диполи, которые ведут к кратковременному притяжению друг к другу. Хотя Ван-дер-Ваальсовы силы кажутся незначительными изолированно, их комплексное влияние на поверхности двух объектов может быть достаточно мощным, чтобы создать надежное сцепление.

Водородные связи — еще один тип адгезии, который играет ключевую роль в биологических процессах. Эти связи возникают, когда атом водорода, связанный с более электроотрицательным атомом (например, кислородом или азотом), притягивается к электроотрицательному атому другой молекулы. Водородные связи ответственны за структуру ДНК, свойства воды и многие другие жизненно важные процессы.

Поверхностная энергия и смачивание

Один из основных факторов, влияющих на адгезию, — это поверхностная энергия материалов. Поверхностная энергия показывает, насколько сильно молекулы на краях материала привязаны к молекулам внутри. При повышенной поверхностной энергии материал стремится «прилипнуть» к другим веществам. Это можно наблюдать, когда капля воды равномерно расползается по стеклянной поверхности (процесс смачивания) или же скатывается с неё (несмачивание).

Молекулы «сцепляются» благодаря сложному взаимодействию различных сил, действующих на уровне атомов и молекул. Хотя каждая отдельная сила может быть слаба, в совокупности они создают значительное взаимодействие, позволяющее молекулам и материалам оставаться стабильными. Без этих сил мир выглядел бы совершенно иначе: объекты не смогли бы сохранять свою форму, жидкости не образовывали бы капли, и жизнь, как мы её знаем, не существовала бы.

Адгезия. Что это такое?

Адгезия (латинское adhaesio — прилипание) обозначает способность лакокрасочных материалов надежно сцепляться с окрашиваемой поверхностью. Этот процесс основывается на физических и химических взаимодействиях между активными группами связующего и активными участками на поверхности подложки. При низкой адгезии покрытие краски будет легко отсваиваться, что приведет к тому, что покрытие будет недолговечным и с низкими защитными и механическими характеристиками. Подготовка поверхности к окрашиванию имеет огромное значение для повышения адгезии ЛКМ к подложке.

Различные металлы имеют разную адгезию. Происходит это по ряду причин.

Во-первых, прочность сцепления «пленка – металлическая поверхность» определяется атомным объемом металла (это отношение атомной массы к плотности): чем этот показатель выше, тем хуже адгезия. У алюминия, цинка, олова и свинца он больше, чем у железа и его сплавов.

Во-вторых, причина слабой адгезии покрытий на ряде металлов (свинец, алюминий, цинк) заключается в низкой когезионной прочности оксидов, присутствующих на их поверхности. В результате, отслаивание пленок происходит в основном по оксидному слою.

Для улучшения прочности адгезионной связи важную роль играют процессы внедрения жидкого ЛКМ в микротрещины и поры подложки, поэтому шероховатость поверхности является ключевым фактором для обеспечения адгезии.

В целях повышения адгезии в промышленности перед окраской металлы обрабатывают фосфатированием и оксидированием. В домашних условиях металлические поверхности можно подвергать абразивной обработке или использовать специальные грунты, такие как Special Metals Primer.

Вопросы по теме

Почему адгезия важна в повседневной жизни?

Адгезия важна в нашей повседневной жизни, поскольку она отвечает за то, как объекты взаимодействуют друг с другом. Например, при использовании клея мы полагаемся на адгезию, чтобы материалы прилипали. Она также играет ключевую роль в таких процессах, как приготовление пищи (например, прилипание теста к поверхности) и в медицине (например, бинты, которые прилипают к коже). Без адгезии многие вещи, которые мы принимаем за должное, просто не работали бы так эффективно.

Как адгезия влияет на технологии и науку?

Адгезия имеет огромное значение в различных технологиях, таких как производство полимеров и композитов. Понимание адгезионных свойств материалов позволяет создавать упаковку, которая лучше защищает продукты, или аксессуары, которые надежно крепятся. В научных исследованиях адгезия помогает изучать взаимодействия на молекулярном уровне, что может привести к открытиям в медицине и биотехнологиях. Например, знание о том, как клетки прилипают друг к другу, может помочь в разработке новых методов лечения заболеваний.

Как адгезия отличается от смачивания и зачем это понимать?

Адгезия и смачивание — это взаимосвязанные, но разные понятия. Адгезия относится к силе взаимодействия между различными поверхностями, в то время как смачивание описывает, как жидкость распространяется по твердой поверхности. Понимание различий между этими явлениями важно, например, в производстве красок и покрытий, где хорошее смачивание может обеспечить лучшее покрытие поверхности и, следовательно, более надежную адгезию. Если жидкость плохо смачивает поверхность, то она может не прилипать должным образом, что приведет к проблемам в дальнейшем использовании.