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

• Адгезия к жидким телам
• Полимеры
• Методы
• Метод отрыва
• Метод расслаивания

Адгезия — это связь между приведенными в контакт разнородными поверхностями. Причины возникновения адгезионной связи — действие межмолекулярных сил или сил химического взаимодействия. Адгезия обусловливает склеивание твердых тел — субстратов — с помощью клеющего вещества — адгезива, а также связь защитного или декоративного лакокрасочного покрытия с основой. Адгезия играет также важную роль в процессе сухого трения. В случае одинаковой природы соприкасающихся поверхностей следует говорить об аутогезии (автогезии), которая лежит в основе многих процессов переработки полимерных материалов. При длительном соприкосновении одинаковых поверхностей и установлении в зоне контакта структуры, характерной для любой точки в объеме тела, прочность аутогезионного соединения приближается к когезионной прочности материала (см. когезия).
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, 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:

• лакокрасочные материалы;
• штукатурные смеси, стяжки и заливки;
• 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:

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.

Методы испытаний адгезии

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 введением в клей наполнителей, пластификаторов, а в некоторых случаях термообработкой адгезионного соединения.

На определяемую при испытании прочность адгезионной связи существенным образом могут влиять размеры и конструкция испытуемого образца (в результате действия т. н. краевого эффекта), толщина слоя адгезива, предыстория адгезионного соединения и другие факторы. 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.

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:

• органосиланы и полиорганосилоксаны оказывают дополнительное гидрофобизирующее и антикоррозионное действие;
• полиамидные и полиэфирные смолы;
• металлоорганические катализаторы химических процессов отвердения ЛКМ;
• балластные мелкодисперсные наполнители (к примеру, тальк).

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:

• минеральные — магнезиальные катализаторы, жидкое стекло, глиноземистый, кислотоустойчивый или безусадочный цемент, микрокремнезём и т.п.
• полимерные — диспергируемые полимеры (ПВА, полиакрилаты, винилацетаты и т.п.).

Такие модификаторы существенно изменяют следующие основные характеристики строительных смесей:

• пластичность;
• водоудерживающие свойства;
• тиксотропность.

Пример плохой адгезии штукатурки к кирпичной стене

Важно! Использование полимерных модификаторов даёт более выраженный эффект усиления адгезии. Однако образование устойчивых соединений полимерных плёнок на границе разнотипных материалов (основание — твердеющая штукатурка) возможно только при определённой температуре. Этот термин называется минимальной температурой плёнкообразования – МТП. У разных штукатурок она может быть различной от +5°С до +10°С. Во избежание расслоения, необходимо точно придерживаться рекомендаций производителя относительно температуры, как окружающей среды, так и основания.

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.

• Высыхающие герметики. В состав входят различные полимеры и органические растворители: бутадиен-стирольные или нитрильные, хлоропреновый каучук и т.п. Как правило, имеют пастообразную консистенцию с вязкостью 300-550 Па. В зависимости от вязкости, наносятся либо шпателем, либо кистью. После их нанесения на поверхность, необходимо определённое время для высыхания (испарения растворителя) и образования полимерной плёнки.

Высыхающий акриловый герметик

• Невысыхающие герметики. Состоят, как правило, из каучука, битума и различных пластификаторов. Имеют ограниченную устойчивость к высокой температуре, не более 700С-800С, после чего начинают деформироваться.

Битумный невысыхающий состав, используется для герметизации ливневой водосточной системы

• Отверждающиеся герметики. После их нанесения, под воздействием различных факторов: влага, тепло, химические реагенты, происходит необратимая реакция полимеризации.

Приготовление двухкомпонентного полиуретанового герметика Сазиласт

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.

Для каких материалов важна адгезия

Первоочередное значение этот показатель имеет для строительных и отделочных составов. Обязательно нужно обратить внимание на уровень адгезии у следующих типов покрытий:

• Лаки и краски. Данное свойство влияет на качество прилипания, глубину проникновения и долговечность покрытия. Чем выше показатели, тем лучше и дольше будут держаться лакокрасочные материалы на основании.
• Гипсовые смеси. Качество прилипания определяет возможности декоративной отделки.
• Цементно-песчаные составы. От надежности склеивания зачастую зависит безопасность строения. Например, при использовании веществ с плохой адгезией кирпичная кладка не продержится долго.
• Герметики и прочие клеящие составы. Здесь необходимо знать, между какими материалами средство способно обеспечить прилипание. При использовании неподходящих смесей качество соединения ухудшается, а в некоторых случаях становится и вовсе невозможным.

ПОЛЕЗНАЯ ИНФОРМАЦИЯ: Выполнение грунтовки потолка перед его окрашиванием водоэмульсионной краской

Измерить адгезионную способность материалов и проконтролировать качество сцепления покрытия с основанием позволяет специальный прибор – адгезиметр.

Как измеряется адгезия?

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

• ГОСТ 31356-2013 — шпаклёвки и штукатурки;
• ГОСТ 31149-2014 — лакокрасочные материалы;
• ГОСТ 27325 — ЛКМ к дереву и т.п.

Информация! Адгезия измеряется в кгс/см2, МПа (мегапаскали) или кН (килоньютоны) — это показатель силы, которую необходимо приложить, для разделения материалов основания и покрытия.

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

• Нож адгезиметр. Используется для определения параметров адгезии методом решётчатых и или параллельных надрезов. Применяется для лакокрасочных и плёночных покрытий толщиной до 200 мкм.

Нож адгезиметр, модель Константа-КН2

• Пульсар 21. Устройство определяет плотность материалов. Используется для выявления трещин и расслоений в бетоне как штучном, так и монолитном. Существуют специальные прошивки и подпрограммы, которые по плотности прилегания, позволяют определить прочность адгезии штукатурок различных типов к бетонным поверхностям.

Ультразвуковой измеритель адгезии, Пульсар 21

• СМ-1У. Используется для определения адгезии полимерных и битумных изоляционных покрытий методом частичного разрушения – сдвига. Принцип измерения основан на выявлении линейных деформаций изоляционного материала. Как правило, применяется для определения прочности изоляционного покрытия трубопроводов. Допускается использование для проверки качества нанесение битумной гидроизоляции на строительные конструкции: стены подвалов и цокольных этажей, плоские крыши и т.п.

Адгезиметр СМ-1У

Что такое адгезия в строительстве?

Адгезия — это сцепление поверхностей разнородных твёрдых и/или жидких тел. Я бы ещё добавил – на молекулярном уровне.

Например, плиточного клея с плиткой и штукатуркой или цементной гидроизоляцией. Как раз недавно сцеплял клей ceresit cm17 с цементной гидроизоляцией и плиткой 1200*600:

Важно перед тем, как был нанесён клей основания (штукатурка и плитка) были тщательно промазаны плиточным клеем. Это как раза для улучшения адгезии.

Или адгезия герметика с плиткой:

Этот скрин я сделал из видео Шайтера Андрея. Кстати, очень рекомендую к просмотру — много любопытного узнаете о герметике.

В ролике есть фрагмент, где наглядно видно как герметик рвётся при когезионном разрыве:

Справка из википедии: Адгезия (от лат. adhaesio — это прилипание)

Иными словам, когда упоминают про адгезию, то имеют ввиду прочность сцепления в местах соприкосновения разных материалов, а когда когезию — рвётся в середине (теле) материала.

Думаю по описанию хорошо видно, что когда говорят о когезии, то речь не идёт о прилипании.

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:

• усадка;
• растягивающие и сжимающие напряжения.

Информация! Вещество, наносимое на поверхность для увеличения силы сцепления между основанием и отделочным материалом, называется адгезивом. Основание, на которое наносится адгезив, называется субстратом.

Причины плохой адгезии

Если лакокрасочное покрытие или шпаклевка отслаиваются, причина в плохой адгезии. По характеру повреждения можно определить причину дефекта:

• не подготовлена поверхность (плохо очищена от пыли, не обезжирена, плохо отшлифована);
• несовместимость компонентов ЛКМ с предыдущим покрытием основания, краски неоднородно ложатся на алюминий, оцинкованное железо;
• грунт разводился некачественным растворителем;
• нанесение толстого слоя ЛКМ и других смесей;
• базовая эмаль пересушена, в этом случае лаку не за что зацепиться;
• неправильные пропорции при приготовлении шпаклевок из сухих смесей;
• не выдержан температурный режим.

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.

Обработка поверхности основания перед покраской абразивной шкуркой

Грунтование поверхности перед нанесением штукатурки

Адгезия жидкости

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: >Wa = σ1 + σ2 — σ12

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.

Значение адгезии двух несмешивающихся жидкостей можно найти из уравнения, указанного выше, по легко определяемым значениям σ1, σ2 и σ12. Наоборот, адгезия жидкости к поверхности твердого тела, вследствие невозможности непосредственного определения σ1 твердого тела, может быть рассчитана только косвенным путем по формуле:>Wa = σ2 (1 + cos ϴ)

где σ2 и ϴ — измеряемые величины соответственно поверхностного натяжения жидкости и равновесного краевого угла смачивания, образуемого жидкостью с поверхностью твердого тела. Из-за гистерезиса смачивания, не позволяющего точно определить краевой угол, по этому уравнению обычно получают только весьма приближенные значения. Кроме того, этим уравнением нельзя пользоваться в случае полного смачивания, когда cos ϴ = 1.

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.

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:

• сухая или влажная поверхность. Как правило, адгезия к сухой поверхности выше. Однако были разработаны множество клеевых смесей, требующих предварительного смачивания поверхности основания. В данном случае необходимо обращать внимание на требования производителя;
• температура окружающей среды и основания. Большинство отделочных материалов наносится на бетонные поверхности при температуре воздуха не менее +5°С…+7°С. При этом бетон не должен быть замёрзшим;
• грунтовка. Используется в обязательном порядке. Для плотных бетонов, это составы с наполнителем из кварцевого песка (бетонконтакт), для пористых бетонов (пено-, газобетон), это грунтовки глубокого проникновения на основе акриловых дисперсий;
• добавление модификаторов. Готовые сухие штукатурные смеси уже имеют в своем составе различные адгезионные добавки. Если штукатурка замешивается самостоятельно, то в неё рекомендуется добавить: ПВА, акриловую грунтовку, вместо такого же количества воды, силикатный клей, придающий отделочному материалу дополнительные влагоотталкивающие свойства.

Результат нанесения цементной штукатурки на переохлажденную поверхность основания

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:

• обезжиривание – обработка металла различными растворителями: 650, 646, Р-4, уайт-спирит, ацетон, керосин. В крайнем случае, поверхность протирается бензином;
• матирование – обработка основания абразивными материалами;
• грунтование – использование специальных красок праймеров. Они реализуются в комплекте с декоративными ЛКМ определённого типа.

Важно! Адгезия свинца, алюминия и цинка намного ниже, чем у чугуна и стали. Причина заключается в том, что эти металлы образуют на своей поверхности оксидные плёнки. Поэтому отслаивание лакокрасочных покрытий происходит по оксидному слою. Окрашивание этих материалов рекомендуется осуществлять сразу после удаления плёнки механическим или химическим способом.

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 боразотных соединений и нитроцеллюлозы.

Анализ сил действующих при адгезии

Вопрос о природе адгезионных явлений в настоящее время имеет особенно важное значение ввиду широкого применения в промышленности склеивания различных материалов при по­мощи высокомолекулярных соединений. Для уяснения химиче­ских и физических явлений, лежащих в основе процессов склеи­вания, ознакомимся с существующими теориями и термино­логией.

Адгезией, или прилипанием, называется связь между по­верхностями двух разнородных твердых или жидких тел, обу­словленная силами межмолекулярного взаимодействия, т. е. силами сцепления разнородных молекул, атомов, ионов, функ­циональных групп, находящихся в поверхностных слоях контактирующихся тел. Эти силы сцепления называются адгезион­ными силами, а само взаимодействие — адгезионным взаимодействием.

В случае контакта двух твердых тел адгезия очень мала вследствие того, что фактическая площадь их контакта из-за неровностей поверхности очень мала по отношению ко всей пло­щади прилегания.

При контакте двух жидких тел или твердого тела и жидкости адгезия на границе раздела фаз при определенных условиях мо­жет быть значительной. Такой же результат достигается в ре­зультате контакта твердых тел в пластичном или эластичном состоянии при высоком давлении.

Адгезия определяется работой, или сопротивлением разрыву, при соответствующей деформации (отрыв или сдвиг). Работа, затраченная на преодоление сил сцепления при разделении частиц двух разнородных поверхностей, называется работой адгезии, или работой отрыва.

Адгезией, или прилипанием, называется связь между поверхностями двух однородных тел, а возникающие в этом слу­чае силы сцепления называются силами адгезии. Приме­ром адгезионного взаимодействия может служить слипание пленок проклеивающего вещества друг с другом.

Когезией называется сцепление молекул, атомов, ионов вещества между собой в объеме тела — клеящего вещества, склеиваемых материалов. Если соприкасающиеся поверхности одинаковы, однородны, адгезия переходит в когезию, характе­ризующую прочность этих тел, силу сцепления их молекул, атомов, ионов. Работа, затрачиваемая против сил сцепления, которые действуют между частицами внутри данного тела, назы­вается работой когезии. У твердых веществ силы когезии значительно больше, чем у жидких, а у газообразных — их нет.

Когезия обусловливается различными силами — силами Ван дер Ваальса, химическими связями (ковалентными и электро- валентными, водородными связями и др.). Эти силы называ­ются силами когезии.

Для обеспечения прочности склеивания необходимо приме­нять клеящие материалы с высокими адгезионными и когезион­ными свойствами.

Прочность склеивания разнородных поверхностей определя­ется соотношением сил адгезии и когезии: адгезия должна быть больше когезии. Если при достаточно высокой когезии силы ад­гезии больше сил когезии, склеивание прочное и, наоборот, если силы когезии преобладают над силами адгезии, склеивание слабое.

Если силы когезии клеящего вещества больше, чем силы его адгезии, например, к древесине, то возникает опасность отделе­ния клеевого слоя от склеиваемой древесины.

Если к клеевому соединению с достаточно высокой адгезией приложить внешнюю силу, разрыв должен произойти не по адге­зионному шву, а когезионно, т. е. внутри наиболее слабого из сопряженных тел.

Как адгезионные, так и когезионные свойства вещества обу­словлены характером межатомных, межмолекулярных связей, величиной и пространственной структурой их частиц. Когезия в значительной мере зависит от величины и формы молекул и других химических свойств клея. Когезия клеевой прослойки характеризует ее механические свойства — прочность, жесткость и смачиваемость.

Под смачиваемостью понимают способность жидкого клея растекаться по поверхности твердого тела в результате действия сил притяжения между частицами жидкого и твердого вещества. Иными словами, при смачивании твердой поверхно­сти жидкостью на границе соприкосновения фаз наблюдается явление адсорбции, суть которой заключается в том, что к твердой поверхности прилегает слой молекул жидкости. Поэтому все клеящие вещества, независимо от их начального физического состояния, должны в процессе склеивания обладать определен­ной способностью смачивать склеиваемые материалы. Это не­обходимо для обеспечения максимального контакта между склеивающим веществом и склеиваемым материалом и их по­следующего взаимодействия в процессе склеивания.

Хорошая смачиваемость клеящим веществом склеиваемого материала влечет за собой образование прочного, а плохая — слабого клеевого соединения. При хорошем смачивании растя­гивающее усилие распространяется равномерно в клеевом шве, при плохом — возникающие в процессе затвердевания напряжения концентрируются в отдельных точках, в которых при незначительных внешних силах происходит разрушение клеевого соединения.

Примером, иллюстрирующим невозможность склеивания не смачивающихся жидким клеем материалов, могут быть синте­тические клеи с активными, функциональными группами в цеп­ных молекулах (-ОН, -СООН, -CN). Эти клеи практиче­ски не смачивают поверхности материалов с низкой поверхност­ной энергией (такие, как полиэтилен, полипропилен) и поэтому совершенно их не склеивают. В то же время материалы с высо­кой энергией поверхности (металлы, кварц, силикатное стекло), хорошо смачивающиеся теми же клеями, обеспечивают высоко­прочные соединения. Однако само по себе смачивание не един­ственное условие, определяющее степень прилипания клея к материалу и прочность клеевых соединений.

Для склеивания инертных полимеров, обладающих низкой поверхностной энергией, с металлами и другими материалами поверхность их предварительно подвергают химическому моди­фицированию путем проведения химических реакций. В резуль­тате химического воздействия в макромолекулах поверхностного слоя образуются адгезионно-активные функциональные группы (—ОН, —СООН, —NH2), способствующие адгезии полимеров с металлами и другими материалами.

Достаточно высокую адгезию проявляют полярные полимеры, содержащие большое число химически активных функциональ­ных групп (гидроксильных, карбоксильных и др.), к материа­лам, молекулы которых также содержат полярные группы. Не­полярные (углеводородные) полимеры, такие, как полиэтилен, полипропилен, полиизобутилен, проявляют низкую адгезию к полярным полимерам.

Для выяснения адгезионной способности полимеров в зави­симости от их полярности рассмотрим некоторые свойства моле­кул веществ.

Известно, что молекула состоит из относительно тяже­лого, положительно заряженного ядра и гораздо более легких отрицательно заряженных электронов. Молекула, таким образом, представляет собой электрическую систему, состоящую из поло­жительных и отрицательных зарядов. В целом молекула элек­трически нейтральна, так как отрицательные заряды ее электро­нов скомпенсированы (уравновешены) положительными заря­дами ядер.

Молекулы различных соединений делятся на полярные, в которых электрические заряды противоположного знака не скомпенсированы полностью и центры тяжести их приложены в разных местах внутри молекулы, и неполярные.

К полярным веществам относятся вода, кислоты, спирт, целлюлоза, жидкие феноло- и мочевино-формальдегидные смолы и др.

Полярные молекулы, имеющие равные по величине, но про­тивоположные по знаку электрические заряды, расположенные на определенном расстоянии друг от друга, называются ди­полями. Произведение величины этих зарядов на расстояние между ними называется дипольным моментом, который харак­теризует полярность молекул.

Полярные молекулы характеризуются сравнительно боль­шой диэлектрической проницаемостью. Силы притяжения, дей­ствующие между полярными молекулами, обусловлены в значи­тельной степени так называемым ориентационным моментом (молекулы определенным образом ориентированы друг к другу вследствие действия их электрических зарядов). В этом случае наблюдается зависимость сил сцепления и диэлектрической про­ницаемости от температуры.

Сцепление между полярными молекулами называется ориентационным взаимодействием.

Взаимно притягиваясь своими противоположными по заряду полюсами, полярные молекулы стремятся всегда занять такое положение по отношению одна к другой или к полярным моле­кулам других веществ, при котором положительные и отрица­тельные заряды их нейтрализуются. При данных условиях по­тенциальная энергия на поверхности соприкосновения оказывается минимальной, и чем больше уменьшение ее, тем при прочих равных условиях силы сцепления оказываются большими.

К неполярным молекулам относятся молекулы многих веществ, имеющих симметричное строение, например водорода Н2, азота N2, кислорода О2, углекислого газа СО2 и многих других. В неполярных молекулах в естественном состоянии электрические центры тяжести положительных зарядов ядра и отрицательных зарядов электронов совпадают. У неполярных веществ низкая диэлектрическая проницаемость.

При контакте полярных и неполярных веществ неполярные молекулы могут поляризоваться под действием близко соприкасающихся с ними полярных молекул, в результате чего возникают индуцированные диполи.

Взаимодействие индуцированных диполей с диполями поляр­ных молекул также приводит к взаимному притяжению, но бо­лее слабому, чем в случае взаимодействия диполей полярных веществ. Такое взаимодействие полярных и неполярных молекул называется индукционным взаимодействием.

Различают еще межмолекулярные силы взаимо­действия, которые проявляют молекулы всех веществ — полярных и неполярных. Эти силы также имеют электростати­ческую природу. К ним относятся силы Ван дер Ваальса и дис­персионные силы.

Силами Ван дер Ваальса называются силы взаим­ного притяжения молекул (или отталкивания их при очень тес­ном сближении).

Дисперсионные силы — это силы взаимного притяже­ния между молекулами или атомами, действующие на больших расстояниях.

В отличие от ориентационных сил индукционные и дисперси­онные силы не зависят от температуры.

Адгезия, однако, обусловлена не только вышеуказанными факторами. В зависимости от природы склеиваемых материалов и склеивающих веществ при адгезии могут проявлять себя раз­личные типы химической связи, например гетерополярная, или ионная, гомеополярная, или ковалентная, семиполярная, или ко­ординационная связи, а также водородная связь.

Ионная связь возникает между противоположно заряжен­ными ионами. Образование ионной связи между двумя ато­мами происходит в результате перехода электронов от одного атома к другому. Оба атома, таким образом, превращаются в ионы с разноименными электрическими зарядами. Вследствие взаимного притяжения ионы соединяются друг с другом, образуя нейтральные молекулы. Простейшим примером ионной связи является связь между положительным ионом натрия и отрицательным ионом хлора в молекуле поваренной соли.

Ковалентная связь образуется между двумя нейтраль­ными атомами путем передачи каждым из них одного или не­скольких электронов с образованием электронных пар, общих для обоих атомов.

Семиполярная связь характеризуется некоторым сме­щением общих электронных пар в сторону какого-нибудь одного атома. По своему характеру эта связь занимает промежуточное положение между ионной и ковалентной.

Для большинства синтетических клеящих смол наиболее характерна ковалентная связь.

Особое положение в процессах склеивания занимает водо­родная связь. Она представляет собой специфическое взаимодействие между молекулами, содержащими водород, в группах О — Н; N — Н; Cl — Н; F — Н.

Под влиянием водородных связей происходит ассоциация молекул таких веществ, как спирт, вода, кислота. Водородные связи участвуют в образовании пространственных структур в процессе отверждения некоторых полимеров (феноло-формальдегидных смол). Свойства многих полярных полимеров (целлю­лозы и др.) также обусловлены водородными связями.

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:

• наличие оксидных плёнок. Они удаляются механически или химически при подготовке поверхности или исчезают непосредственно в процессе сварки под воздействием высокой температуры или флюсов;
• несоответствие химического состава материалов и электродов. Особое внимание следует уделять наличию и количеству кремния и углерода в соединяемых деталях. Для соединения сталей разных марок рекомендуется использовать электроды с низким содержанием диффузионного водорода;
• недостаточная глубина проплавления, которая напрямую зависит от силы тока и скорости передвижение электрода.

Газовая или плазменная сварка металла является когезией, так как молекулы двух элементов соединяются в результате расплава материала

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.

Состав адгезивной системы

В системе, используемой в стоматологии сейчас, имеется несколько компонентов.

1. Протравливающий состав или протравка. Это органическая или неорганическая кислота. Она нужна для того, чтобы убрать всю органику с обрабатываемой поверхности, а также создает специальные микропоры для лучшего сцепления. Кислоты, которые могут быть использованы — это ортофосфорная, лимонная, малеиновая и т. д.
2. Бонд — это непосредственно сам адгезив, довольно сложный по химическому составу. В нем содержатся метакрилаты, растворители, а также специальные стабилизаторы и ряд других веществ. Предназначен для обеспечения связи композита с поверхностью зуба.

3. Праймер — вещество, которое содержит гидрофильные компоненты, а также различные стабилизаторы и т. д. Он нужен для того, чтобы подготовить дентин к обработке, и позволяет создать так называемый гибридный слой. Без этого вещества сцепление стоматологических материалов с дентином практически невозможно.
4. Наполнитель — неорганическое вещество, которое присутствует в праймере и в самом адгезиве. Дает возможность добиться прочного гибридного слоя при обработке зуба.

5. Растворители — это могут быть как вода, так и спирт или ацетон. Они дают возможность оставить рабочие материалы жидкими и текучими.
6. Активатор — компонент-дополнение, который необходим при работе с веществами, имеющими двойное отверждение, а также для работы в сфере ортопедии. Его добавляют в бонд или праймер, чтобы добиться отвердения системы адгезивов.