Определение адгезии металлического покрытия
Наиболее распространенной разновидностью метода надрезов является тест решетчатым надрезом, который производится согласно ГОСТ 31149 или ISO 2409. Принцип метода достаточно прост: лезвие врезается в покрытие, создавая в нем усилие сдвига; способность покрытия сопротивляться сдвигу как раз и определяется данным методом.
Суть теста решетчатым надрезом заключается в следующем.
На покрытии выполняются двенадцать надрезов: шесть параллельных надрезов в одном направлении и шесть других параллельных надрезов перпендикулярно первым. После удаления свободных и непрочнодержащихся частиц покрытия выполняется сравнение с визуальными эталонами: чем сильнее покрытие выкрашивается, тем хуже считается его адгезия. Указанные выше стандарты подробно описывают процедуру теста и содержат визуальные эталоны для оценки степени разрушения.
Результат теста оценивается по балльной шкале от 0 до 5 баллов в зависимости от площади и характера отслоения. Характер отслоения может быть следующим: отслоения на пересечении надрезов, вдоль краев надрезов, а также полностью или частично на различных частях квадратов, образованных надрезами. Последнее очень важно: если отслоение происходит вдоль краев надрезов или тем более внутри квадратов, пусть даже на небольшой площади, то это может указывать на проблемы с адгезией.
Норма адгезии
Необходимая норма адгезии указывается в проектных требованиях – как правило, балл 1 согласно ГОСТ 31149/ISO 2409 является достаточным.
Рис.1. Внешний вид поверхности надрезов с отслаиванием. Классификация в баллах – 1. Источник: ГОСТ 31149-2014.
Многие специалисты считают методы решетчатого надреза и отрыва взаимозаменяемыми, однако, ISO 2409: 2020 (впрочем, как и предыдущие версии этого стандарта) прямо указывает, что метод поперечных надрезов определяет стойкость покрытия к отслаиванию от подложки и не является способом измерения адгезии. Для измерения адгезии данный стандарт рекомендует обратиться к ISO 4624, т.е. пользоваться методом отрыва. Действительно, боковые усилия, возникающие при надрезании покрытия, характеризует скорее хрупкость покрытия, чем прочность его адгезионных связей.
Рис.2. Направления действия напряжений в покрытии при выполнении надрезов (показаны синими стрелками). 1 – лакокрасочное покрытие; 2 – лезвие
С учетом описанной выше специфики тест решетчатым надрезом не применяется для текстурированных и шероховатых покрытий (к последним во многих случаях можно отнести эпоксидные цинковые покрытия с большим содержанием цинка, вследствие чего поверхность покрытия имеет шероховатость). Также значительную погрешность при выполнении теста надрезами могут давать неорганические цинкэтилсиликатные покрытия с большим содержанием твердых веществ, которые по своей природе являются хрупкими.
Метод решетчатого надреза не применяется для покрытий, толщина которых превышает 250 мкм, потому что толстослойные покрытия обладают гораздо более высокой стойкостью к сдвигу и результат теста для таких покрытий будет ошибочным. Для подобных толстослойных покрытий рекомендуется выполнение теста Х-образным надрезом.
Факторы, влияющие на результат теста
1. Толщина покрытия на всей площади решетки надрезов не должна сильно варьироваться. Разница толщин в различных точках решетки не должна превышать 20%.
2. Надрез должен выполняться на всю толщину покрытия, при этом углубление в металлическую подложку должно быть минимальным.
3. Лезвия должны иметь угол 30 0 , как это предусмотрено стандартом – только в этом случае в покрытии будет создаваться необходимое напряжение, обусловленное сдвигом. Не каждый режущий инструмент имеет такой угол заточки: если взять, к примеру, канцелярские ножи, то далеко не все из них могут похвастаться такой характеристикой. Для выполнения теста удобно пользоваться оборудованием, производитель которого подтверждает соответствие своего оборудования применяемым стандартам.
4. Применяемые для выполнения надрезов лезвия подлежат износу и являются расходным материалом. При использовании изношенных лезвий результат теста будет некорректным. Износ лезвий очень сложно контролировать, и именно этот фактор является наиболее частым источником ошибок при выполнении теста надрезом.
5. Тестируемое покрытие должно пройти полную полимеризацию. Покрытие, не прошедшее полную полимеризацию, более эластично, а значит, тест решетчатым надрезом будет давать завышенные результаты. С другой стороны, покрытия, бывшие в эксплуатации в течение длительного времени, могут быть слишком твердыми и не поддаваться прорезанию – такие покрытия не подлежат тестированию методом надрезов.
6. Если надрезы выполняются одинарным лезвием, то необходимо следить за параллельностью надрезов. Непараллельность надрезов обусловливает погрешность результата: покрытие легче разрушается в тех местах, где пересекающиеся надрезы образуют острый угол, и меньше разрушается там, где угол тупой.
7. Важно, чтобы скорость выполнения надрезов была равномерной, в противном случае воздействие на покрытие будет также неравномерным, что может привести к дополнительному разрушению.
8. Кисть, используемая для удаления непрочнодержащихся частиц покрытия, должна быть обязательно мягкой и иметь волос определенной длины, которая в соответствии с ГОСТ 31149 должна быть не менее 15 мм (ГОСТ 31149, в отличие от ISO 2409, допускает вместо кисти применять липкую ленту).
Рис.4. Шаблон для выполнения параллельных надрезов. Источник: ГОСТ 31149-2014
Выполнение теста методом решетчатого надреза в полевых условиях
Тест методом решетчатого надреза можно выполнять как в лабораторных, так и в полевых условиях. При проведении теста на объекте нужно иметь в виду, что:
– при отрицательной температуре любое покрытие становится более хрупким, и чем ниже температура, тем более хрупким будет покрытие. В таких условиях тест надрезами может быть непоказательным;
– влажность воздуха (особенно высокая влажность, сохранявшаяся в течение длительного времени) и высокая температура будут оказывать влияние на результат теста;
– если на покрытии в течение длительного времени находились вода или снег, то результат теста будет завышенным.
С учетом зависимости результата теста от перечисленных выше параметров отчет о проведенных испытаниях должен обязательно содержать соответствующую информацию об этих параметрах.
Метод решетчатого надреза является разрушающим методом контроля, после его выполнения требуется ремонт покрытия.
Адгезия покрытий
При таком процессе адгезии осуществляется притяжение разных видов веществ на молекулярном уровне. Ей могут быть подвержены и твердые тела и жидкие.
Определение адгезии
Слово адгезия в переводе с латинского обозначает сцепление. Это процесс, при котором на два вещества притягиваются друг к другу. Их молекулы сцепляются между собой. В результате для того чтобы разъединить два вещества необходимо произвести внешнее воздействие.
Данное является представляет собой поверхностный процесс, который является типичным почти для всех систем дисперсного типа. Данное явление возможно между таким, комбинациями веществ:
- жидкость +жидкость,
- твердое тело+твердое тело,
- жидкое тело + твердое тело.
Все материалы, которые начинают взаимодействовать друг с другом при адгезии, называются субстратами. Вещества, которые обеспечивают субстратам плотное сцепление получили название адгезивов. В большинстве своем все субстраты представлены твердыми материалами, которые могут быть металлами, полимерными материалами, пластмассой, керамическим материалом. Адгезивы представлены преимущественно жидкими веществами. Хорошим примером адгезива является такая жидкость, как клей.
Данный процесс может быть результатом:
- механического воздействия на материалы для сцепления. В этом случае для того, чтобы вещества скрепились необходимо добавление определенных дополнительных веществ и использование механических методов сцепления.
- появления взаимосвязи между молекулами веществ.
- Образования двойного электрического слоя. Такое явление происходит, когда электрический заряд переносится с одного вещества на другое.
В настоящее время не редко встречаются случаи, когда процесс адгезии между веществами появляется в результате влияния смешанных факторов.
Прочность адгезии
Прочность адгезии представляет собой показатель того, как плотно сцепляются между собой те или иные вещества. На сегодняшний день прочность адгезионного взаимодействия двух веществ можно определить, используя три группы специально-выработанных методов:
- Методы отрыва. Они подразделяются еще на множество способов определения адгезионной прочности. Для определении степени сцепления двух материалов необходимо постараться, используя внешнюю силу разорвать связь между вещества. В зависимости от скрепленных материалов здесь можно применять метод одновременного отрыва, или метод последовательного отрыва.
- Метод фактической адгезии без вмешательства в конструкцию, созданную путем сцепления двух материалов.
При использовании разных методов могут получиться различные показатели, которые зависят во многом от толщины двух материалов. Берется во внимание скорость отслаивания и угол, под которым необходимо осуществлять разъединение.
Адгезия материалов
В современном мире встречаются различные виды адгезии материалов. Сегодня адгезия полимеров является не редким явлением. При смешивании разных веществ очень важно, чтобы их активные центры взаимодействовали друг с другом. На границе взаимодействия двух веществ образуются электрически заряженные частицы, которые обеспечивают прочное соединение материалов.
Адгезия клея представляет собой процесс притяжения двух веществ путем механического взаимодействия из вне. Клей применяется для склеивания двух материалов в целях создания одного предмета. Прочность скрепления материалов зависит от того, какой прочностью обладает клей при соприкосновении с отдельными видами материалов. Для склеивания материалов, которые плохо взаимодействуют друг с другом, необходимо усилить действие клея. Для этого можно просто использовать специальный активатор. Благодаря нему образуется прочная адгезия.
Очень часто в современном мире приходится иметь дело со скреплением таких материалов, как бетон и металлы. Адгезия бетона к металлу является достаточно не прочной. Чаще в строительстве применяются специальные смеси, которые обеспечивают надежное скрепление данных материалов. Также не редко применяется строительная пена, которая заставляет металлы и бетон образовывать устойчивую систему.
Метод адгезии
Методы определения адгезии представляют собой способы, при помощи которых устанавливается то, как различные материалы могут взаимодействовать между собой в пределах определенной специфики. Разные строительные объекты и бытовые приспособления созданы из материалов, которые скреплены между собой. Для того чтобы они функционировали в нормальном режиме и не нанесли вреда необходимо тщательно контролировать уровень адгезии между веществами.
Измерение адгезии осуществляется при помощи специализированных приборов, которые позволяют на производственном этапе определить, как прочно изделия прикрепляются друг к другу после использования тех или иных методов скрепления.
Адгезия лакокрасочных материалов
Адгезия лакокрасочных покрытий представляет собой сцепление краски с различными материалами. Чаще всего встречается адгезии лакокрасочного вещества и металла. Для того чтобы покрыть металлические изделия слоем краски изначально проводятся тесты взаимодействия двух материалов. Учитывается то, каким слоем необходимо нанести лакокрасочное вещество для того, чтобы определить его степень адсорбции. В последующем определяется уровень взаимодействия красящей пленки и материала, которым она покрывается.
Статьи по теме
Поливинилацетатная краска
Поливинилацетатная краска (или ПВА) представляет собой эмульсионный состав, принципом изготовления которого является «масло в воде». Поливинилацетатная краска нашла свое широкое применение при окрашивании интерьеров и экстерьеров как жилых, так и промышленных помещений.
Когезия
КОГЕЗИЯ (от лат. соhaesus — связанный, сцепленный * а. соhesion; н. Kohasion; ф. соhesion; и. соhesion) — сцепление частиц вещества (молекул, ионов, атомов), составляющих одну фазу. Когезия обусловлена силами межмолекулярного (межатомного) притяжения различной природы
Вещества ускоряющие высыхание красок
Сиккативы — соединения свинца, кобальта, марганца и цинка, которые, будучи добавлены в высыхающие масла, ускоряют их высыхание.
Адгезия поверхностей
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 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.
Адгезия полимеров
Почти все применяемые в практике адгезивы представляют собою полимерные системы или образуют полимер в результате химических превращений, происходящих после нанесения адгезива на склеиваемые поверхности. К неполимерным адгезивам можно отнести только неорганические вещества типа цементов и припоев.
Методы определения адгезии
- Метод одновременного отрыва одной части адгезионного соединения от другой по всей площади контакта;
- Метод постепенного расслаивания адгезионного соединения.
Метод отрыва - адгезия
При первом способе разрушающая нагрузка может быть приложена в направлении, перпендикулярном плоскости контакта поверхностей (испытание на отрыв) или параллельном ей (испытание на сдвиг). Отношение силы, преодолеваемой при одновременном отрыве по всей площади контакта, к площади называется адгезионным давлением, давлением прилипания или прочностью адгезионной связи (н/м2, дин/см2, кгс/см2). Метод отрыва дает наиболее прямую и точную характеристику прочности адгезионного соединения, однако применение его связано с некоторыми экспериментальными затруднениями, в частности с необходимостью строго центрированного приложения нагрузки к испытуемому образцу и обеспечения равномерного распределения напряжений по адгезионному шву.
Отношение сил, преодолеваемых при постепенном расслаивании образца, к ширине образца называется сопротивлением отслаиванию или сопротивлением расслаиванию (н/м, дин/см, гс/см); часто адгезию, определяемую при расслаивании, характеризуют работой, которую необходимо затратить на отделение адгезива от субстрата (дж/м2, эрг/см2) (1 дж/м2 = 1 н/м, 1 эрг/см2 = 1 дин/см).
Метод расслаивания - адгезия
Определение адгезии расслаиванием более целесообразно в случае измерения прочности связи между тонкой гибкой пленкой и твердым субстратом, когда в условиях эксплуатации отслаивание пленки идет, как правило, от краев путем медленного углубления трещины. При адгезии двух жестких твердых тел более показателен метод отрыва, т. к. в этом случае при приложении достаточной силы может произойти практически одновременный отрыв по всей площади контакта.
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.
Адгезиметр
При проведении некоторых видов работ необходимо определять уровень взаимодействия определенных элементов. Важно изначально знать насколько сильно они сцепляются друг с другом, чтобы конструкции была как можно более надежной.
Определение адгезии методом отрыва
Ранее мы рассказали, что такое адгезия, описали типы адгезионных связей, а также вкратце рассмотрели специфику метода решетчатого надреза. Данная статья будет посвящена методу отрыва.
Метод отрыва заключается в том, что к окрашенной поверхности приклеивается цилиндрическая заготовка (так называемый «грибок» – название обусловлено формой заготовки), которая с помощью специального устройства (адгезиметра) отрывается от поверхности, при этом регистрируется усилие отрыва, необходимое для нарушения адгезии или когезии в испытуемом покрытии, которое и является мерой адгезии и результатом теста. Данный метод описывается в стандартах ISO 4624, ISO 16276-1 и ГОСТ 32299-2013. Кроме того, различные производители выпускают оборудование для проведения тестов на адгезию, прилагая к нему процедуры выполнения тестов на базе указанных стандартов. Метод отрыва является разрушающим, так как приклеенный грибок с покрытием физически отрывается от поверхности. Давайте рассмотрим основные факторы, влияющие на проведение и результат теста.
Время выдержки покрытия до проведения теста. Очевидно, что к моменту выполнения теста покрытие должно обладать необходимой прочностью, иначе тест будет бессмысленным. Сколько же времени нужно ждать, чтобы тест на адгезию был релевантным?
Принято считать, что нанесенное покрытие приобретает свою прочность после завершения отверждения. Продолжительность отверждения или время выдержки до начала испытаний, как правило, указывается производителем покрытия в технической документации. Таким образом, оптимальная продолжительность выдержки определяется в соответствии с рекомендациями производителя.
Для двухкомпонентных покрытий производители обычно устанавливают выдержку до проведения теста в течение 10-14 дней при нормальной температуре. При отсутствии рекомендаций от производителя, ISO 16276-1 рекомендует выдерживать покрытие в течение не менее 10 дней при наличии хорошей вентиляции, температуре поверхности более 15 0 С и относительной влажности не более 80%.
Для покрытий, находящихся в эксплуатации, вопрос выдержки перед тестом может также быть актуальным – в зависимости от того, в каких условиях эксплуатировалось покрытие. Например, покрытия судовых балластных танков эксплуатируются в условиях попеременного погружения в морскую воду и высокой влажности, что приводит к тому, что часть морской воды удерживается в пленке. Если выполнять тест на адгезию без вентилирования танка в течение достаточного времени, то результат теста будет заниженным.
Отдельного внимания заслуживает тема выдержки однокомпонентных покрытий, большинство из которых имеют физический или кислородный механизм отверждения (подробнее см. здесь). Отверждение таких покрытий в силу природы их физико-химических процессов происходит медленнее, чем у двухкомпонентных покрытий, соответственно, их выдержка перед началом тестов на адгезию должна быть более длительной.
Клей. Комплект оборудования, как правило, включает в себя клей, применяемый для теста. Обычно это высокопрочные клеи, обладающие большой адгезионной и когезионной прочностью. В некоторых случаях недостатком таких клеев является их долгое время отверждения – иногда производитель рекомендует выдерживать клей в течение суток или даже более перед проведением теста. Именно по этой причине для тестов часто применяют альтернативные клеи, также обладающие высокой прочностью на разрыв и широкодоступные для покупки в магазинах.
В целом, адгезионная и когезионная прочность клея должна быть выше, чем прочность покрытия, в противном случае разрыв будет происходить по клею, а не по покрытию, и оценить адгезию покрытия будет невозможно. Рекомендуется применять цианоакрилатные и эпоксидные клеи, в некоторых случаях также применяются полиэфирные составы.
На практике встречаются ситуации, когда клей оказывает химическое воздействие на покрытие – особенно часто такой эффект возникает при тестировании однокомпонентных покрытий, чувствительных к веществам, отверждаемым химическим способом (двухкомпонентные клеи как раз являются такими веществами). В этом случае покрытие размягчается, соответственно, его прочность будет ниже. При работе с такими покрытиями нужно особенно тщательно подходить к выбору клея. Отметим, что размягчение покрытия может также происходить при его обезжиривании сильными растворителями перед приклеиванием грибка.
Грибки. Изготавливаются из стали или алюминия. Обязательным требованием к грибкам является соответствие их диаметра требованиям стандартов: в подавляющем большинстве случаев используются грибки с номинальным диаметром 20 мм. Если диаметр грибка будет отличаться от установленного значения, то результат теста – усилие отрыва – будет ошибочным.
При отрыве часть тестируемого покрытия остается на поверхности грибка, соответственно, возникает необходимость в его удалении и очищении рабочей поверхности. Многие используют для очистки наждачную бумагу, т.е. удаляют покрытие «сошкуриванием». В этом случае нужно соблюдать осторожность, чтобы не нарушить плоскостность рабочей поверхности наждачной бумагой – если поверхность будет неровной, то результат теста опять же будет ошибочным. Более эффективным способом очистки грибка является его нагрев с последующим удалением покрытия: для нагрева можно использовать промышленные термощипцы или даже небольшой утюжок (прикладывать который нужно, разумеется, к чистой неокрашенной поверхности во избежание загрязнения утюга), и поскольку термостойкость большинства покрытий (эпоксидных и полиуретановых, в частности) ограничивается 120 0 С, то после достижения этой температуры покрытие можно будет легко соскрести шпателем или ножом.
Тип разрывного устройства. Существует несколько типов разрывных устройств (адгезиметров) в зависимости от их принципа действия: механические, гидравлические и пневматические. Наиболее популярными в настоящее время являются механические и гидравлические адгезиметры. В механическом адгезиметре сила отрыва создается за счет кручения (вручную или с помощью специальном ключа), в гидравлическом – за счет давления, создаваемого гидравлической жидкостью. При сравнивании приборов этих типов нужно понимать, что в идеальной ситуации сила отрыва должна быть аксиальной, то есть вектор этой силы должен совпадать с центральной осью грибка – только в этом случае результат теста будет наиболее точным. Из двух перечисленных типов адгезиметров этому условию лучше всего отвечают гидравлические адгезиметры, в то время как в механических адгезиметрах при скручивании образуется поперечное усилие, которое изменяет направление вектора силы отрыва. Клеи и покрытия не обладают большой прочностью при действии поперечных сил, таким образом, отрыв грибка при использовании механического метода происходит раньше, чем при использовании гидравлического метода – соответственно, усилие отрыва на механическом адгезиметре будет меньше. Таким образом, результат определения адгезии при использовании гидравлического адгезиметра будет выше, чем при использовании механического устройства. Некоторые окрасочные спецификации учитывают этот фактор, указывая требуемую адгезионную прочность отдельно для различных типов адгезиметров.
Что такое адгезия
ГОСТ 28246-2017 «Материалы лакокрасочные. Термины и определения» определяет адгезию как явление взаимодействия на границе раздела между твердой поверхностью и другими материалами за счет межмолекулярных сил. Говоря проще, с определенной степенью неточности (в целях лучшего понимания) можно сказать, что адгезия характеризует «прилипание» (сцепление) покрытия к поверхности или «прилипание» отдельных слоев лакокрасочной системы друг к другу. В количественном выражении адгезия измеряется адгезионной прочностью, то есть силой, которую необходимо приложить, чтобы отделить покрытие от окрашенной поверхности или отдельные слои покрытия друг от друга.
Адгезия и когезия
Наряду с термином «адгезия» на практике применяется также термин «когезия», который определяет прочность отдельных слоев, входящих в состав системы покрытия; когезионная прочность измеряется силой, которую необходимо приложить для разрушения того или иного слоя. Как и адгезия, когезия представляет большую важность для обеспечения надежности всей системы: покрытие должно быть прочным не только на границе между слоями и с подложкой, но и внутри каждого слоя. Когезия слоев достигается за счет правильной сушки лакокрасочных материалов, эффективной вентиляции при нанесении и в период сушки, правильного разбавления краски, выдерживания заданного диапазона толщины и т.п.
Очевидно, что покрытие будет надежным и долговечным только в том случае, когда его адгезия и когезия будут достаточными, т.е. (еще раз обратимся к просторечию) когда слои системы покрытия будут хорошо «прилипать» друг к другу, вся система будет хорошо «прилипать» к окрашенной поверхности, а каждый отдельно взятый слой будет прочным. Адгезия и когезия отвечают за то, чтобы покрытие не разрушалось при воздействии на него внешних нагрузок и действии внутренних напряжений.
Давайте рассмотрим, какие факторы влияют на обеспечение достаточной адгезии.
Смачивание и адгезия
В основе феномена образования адгезионных связей лежит явление смачивания поверхности: если поверхность хорошо смачивается жидкостью, то есть все шансы, что адгезия будет хорошей; если же смачивание плохое, то адгезионные связи образовываться не будут. В свою очередь на смачивание поверхности влияют поверхностное натяжение самой поверхности и жидкости. Характеристикой смачивания является краевой угол смачивания (см. Рис.1).
Рисунок 1. Виды смачивания (ϕ – краевой угол смачивания)
Для пояснения этого явления можно привести в пример сковородку с антипригарным (тефлоновым) покрытием: если вылить на такую сковородку масло, то масло быстро начинает собираться в капли и не растекается по всей поверхности сковородки, т.е. смачивания поверхности не происходит. Это связано с тем, что тефлон обладает очень низким поверхностным натяжением, и именно по этой причине растекание масла не происходит. По этой же причине и пищевые продукты не прилипают к сковородке в процессе жарки – говоря нашим языком, продукты не создают адгезию с поверхностью сковородки. Таким образом, если бы мы захотели покрасить тефлоновую сковородку, то вероятнее всего попали бы в аналогичную ситуацию: покрытие имело бы плохую адгезию к тефлону и в скором времени отделилось от поверхности. Эти же соображения могут быть применимы и к пластикам, большинство из которых, как и тефлон, имеют низкое поверхностное натяжение, поэтому для окраски тефлона, пластика и других похожих материалов применяются специальные покрытия.
Рисунок 2. Пример плохого смачивания поверхности.
Явления смачивания и поверхностного натяжения также применяются при разработке лакокрасочных материалов с низким грязеудержанием и материалов, стойких к нанесению граффити.
Конструкционная углеродистая сталь, в отличие от описанных выше пластика и тефлона, хорошо смачивается большинством лакокрасочных материалов при правильном применении последних. Однако, если на поверхности стали присутствуют посторонние вещества, в особенности масляные и жировые загрязнения, то натяжение загрязненной поверхности заметно изменяется, и адгезия покрытия будет низкой. Поэтому правильная подготовка поверхности и ее обезжиривание в частности имеют большое значение для обеспечения надежной работы защитного покрытия в течение всего срока службы.
Механизмы адгезии
Существует несколько механизмов образования адгезионных связей. Строго говоря, этот вопрос достаточно сложен, и многие специалисты в области адгезии считают, что точное определение механизма адгезии в каждом конкретном случае невозможно. Тем не менее, все способы создания адгезии можно условно разделить на три группы: химический, механический и прочие. К прочим относятся адгезионные связи, создаваемые силами Ван-дер-Ваальса, силы, имеющие электростатическую природу (закон Кулона) и другие силы, которые участвуют в создании адгезии, но не имеют значительного влияния. Основной вклад в создание адгезии вносят молекулярное (химическое) взаимодействие и механическая адгезия – на них мы остановимся более подробно.
Химическая адгезия
При химическом образовании адгезионных связей между подложкой и лакокрасочным покрытием происходит молекулярное взаимодействие, в результате которого обеспечивается сцепление покрытия с поверхностью. При таком механизме создания адгезионных связей необходимо, чтобы вступающие во взаимодействие молекулы находились на очень близком расстоянии друг от друга (это расстояние соразмерно с диаметром атомов). Такое расположение молекул лучше всего обеспечивается нанесением покрытий методом безвоздушного распыления (БВР) за счет высокого давления на выходе из окрасочного сопла при окраске. Таким образом, считается, что метод БВР дает наилучшую адгезию покрытия. При правильной работе кистью адгезия с подложкой также получается достаточной, а вот если использовать валик для окраски шероховатой подложки, то адгезия будет низкой, так как краска не будет иметь надлежащего контакта с поверхностью во впадинах ее профиля.
В случае углеродистой стали химическая реакция возможна не всегда; кроме того, не все покрытия в силу своей природы способны химически реагировать со сталью. Тем не менее считается, что чем лучше очищена стальная поверхность и чем более она реактивна, тем лучше будет адгезия. По этой причине рекомендуется производить окраску непосредственно после завершения подготовки поверхности, когда сталь находится в активном состоянии и легко вступает в химические реакции. Со временем активные после очистки центры стальной поверхности вступают в реакцию с окружающим воздухом и другими веществами и окисляются – таким образом, покрытие, нанесенное спустя некоторое время после завершения подготовки поверхности, будет иметь худшее качество.
Химический механизм адгезии наиболее выраженно проявляет себя при создании адгезионных связей между слоями системы покрытия. При нанесении последующего слоя в пределах установленного временного интервала оба слоя будут образовывать единую систему практически исключительно за счет химической реакции. Однако, в случае двухкомпонентных материалов, если данный интервал перекрытия будет слишком большим, то сцепление слоев будет слабым или будет вообще отсутствовать, т.е. межслойная адгезия будет низкой. В этом случае недостаток химической составляющей адгезии необходимо компенсировать механически, то есть перед нанесением последующего слоя нужно создать на поверхности предыдущего шероховатость (прошкуриванием или легкой абразивоструйной обработкой – так называемый свипинг).
Механическая адгезия
Механическая адгезия образуется за счет неровностей окрашиваемой поверхности, наличие которых позволяет покрытию и поверхности сцепляться в условный замок. Как известно, обычная поверхность стали не является идеально гладкой поверхностью, что создает первичные предпосылки для создания адгезии. С этой точки зрения наилучшей подготовкой поверхности перед окраской является абразивоструйная обработка, в результате которой поверхность приобретает шероховатость – именно эта шероховатость и является основным фактором образования механической адгезии. Помимо описанной выше функции условного замка, шероховатая поверхность (после абразивоструйной обработки) имеет большую площадь, чем гладкая поверхность (до абразивоструйной обработки), что означает, что на шероховатой поверхности будет больше активных центров, обеспечивающих молекулярное взаимодействие между подложкой и покрытием.
Для большинства грунтовочных покрытий шероховатость в диапазоне от 40 до 70 мкм является достаточной для обеспечения надежной работы покрытия, дальнейшее увеличение шероховатости, как правило, уже не влияет на адгезию, но значительно повышает расход лакокрасочного материала. Исключением в некоторых случаях могут являться толстослойные покрытия с толщиной более 500 мкм, для которых может потребоваться шероховатость более 70 мкм. Механическая адгезия особенно характерна для покрытий, нанесенных на шероховатые подложки, такие как дерево или бетон.
Значение механической адгезии не стоит недооценивать, поскольку именно эта составляющая адгезии всегда в той или иной степени обеспечивает сцепление покрытия с поверхностью. В подтверждение этих слов можно привести пример, когда покрытие наносится на практически гладкую поверхность – такую поверхность можно получить, например, после тщательной обработки кругами дюрекс. Обработанная поверхность будет выглядеть полированной, и никакое покрытие не сможет иметь сцепление с такой поверхностью. Для создания адгезии гладкую поверхность рекомендуется обработать наждачной бумагой крупной зернистости (для некоторых материалов такой шероховатости может быть достаточно).
Отметим, что различные подложки обладают разной способностью к образованию адгезионных связей с покрытиями. Особую тщательность при выборе покрытия необходимо проявлять при окраске цветных металлов и сплавов, нержавеющей стали и оцинкованной стали, поскольку не каждое покрытие будет иметь адгезию к таким поверхностям.
Адгезия будет отсутствовать, если использовать двухкомпонентные материалы после истечения их жизнеспособности. На первый взгляд может показаться, что достаточно просто разбавить отверждающуюся смесь разбавителем, материал приобретет нужную вязкость и будет легко наноситься на поверхность. Но этот путь является ошибочным: после завершения высыхания адгезии между слоями не будет.
В практическом смысле определение адгезии представляет значительный интерес, поскольку именно этот показатель дает понимание того, насколько долговечным будет покрытие. Принято считать, что для оценки адгезии применяются два основных метода: метод надрезов (надрезы могут быть в виде решетки или Х-образные) и метод отрыва.
Читайте также: