Адгезия покрытий

Адгезия покрытий — это явление сцепления (связывания) двух разнородных материалов, нанесённого слоя (покрытия) с поверхностью основы (субстрата), обусловленное межмолекулярными, химическими или механическими силами. Адгезия является фундаментальным свойством, определяющим эксплуатационную надёжность, долговечность и функциональность лакокрасочных, полимерных, металлических, керамических и других защитных или декоративных покрытий. Недостаточная адгезия приводит к отслаиванию, шелушению, вздутию и преждевременному разрушению покрытия.

Физико-химическая природа адгезии

Адгезия возникает на границе раздела фаз «покрытие — субстрат» и обусловлена несколькими типами взаимодействий:

Механическое сцепление. Происходит за счёт проникновения жидкого или вязкого материала покрытия в неровности, поры, трещины и капилляры поверхности субстрата. После отверждения образуются «замки» или «анкеры», обеспечивающие физическое удержание. Этот механизм особенно важен для пористых (дерево, бетон) и шероховатых поверхностей.
Молекулярные (Ван-дер-Ваальсовы) силы. Слабые, но многочисленные силы притяжения между молекулами покрытия и субстрата. Их вклад существенен при полном смачивании поверхности.
Химическая связь. Образование ковалентных, ионных или водородных связей между функциональными группами компонентов покрытия и активными центрами на поверхности субстрата. Обеспечивает наиболее прочное и устойчивое к внешним воздействиям соединение. Примеры: адгезия эпоксидных смол к металлам, силановых грунтовок к стеклу.
Электростатическое притяжение. Возникает при контакте двух материалов с разной электроотрицательностью, приводя к образованию двойного электрического слоя. Вклад этого механизма обычно невелик и проявляется в системах «полимер — металл».
Диффузионное взаимодействие. Наблюдается при совместимости полимеров покрытия и субстрата, когда макромолекулы взаимно проникают в приповерхностные слои, образуя «сшитый» межфазный слой. Характерно для адгезии термопластичных покрытий к пластикам.

Классификация видов адгезии

В зависимости от природы взаимодействия и условий формирования различают несколько видов адгезии:

Собственно адгезия — сцепление между покрытием и субстратом.
Аутогезия — сцепление между однородными материалами (например, при склеивании двух слоёв одного полимера).
Когезия — внутренняя прочность самого покрытия или субстрата. Разрушение часто происходит не по границе раздела, а по более слабому когезионному слою (например, по слою ржавчины или слабому грунту).
Специфическая адгезия — взаимодействие за счёт химических связей.
Неспецифическая адгезия — взаимодействие за счёт физических сил (Ван-дер-Ваальса, электростатики).

Методы оценки адгезии

Количественная и качественная оценка адгезии проводится с помощью стандартизированных методов, которые имитируют условия эксплуатации. Наиболее распространённые методы:

Качественные методы (ГОСТ 15140, ISO 2409, ASTM D3359)

Метод решётчатых надрезов (тест на отслаивание). На покрытие наносят сетку из параллельных надрезов до субстрата. Затем накладывают липкую ленту и резко отрывают. Адгезию оценивают по площади отслоившегося покрытия в баллах (от 0 — идеальное сцепление до 5 — полное отслоение). Простой и быстрый метод для твёрдых покрытий.
Метод параллельных надрезов (X-образный надрез). Аналогичен решётчатому, но используется для более толстых покрытий.
Метод отрыва (pull-off test). Заключается в приклеивании к покрытию металлического грибка (дюбеля) и отрыве его с помощью динамометра. Результат выражается в единицах силы (МПа) на единицу площади. Позволяет получить количественную оценку прочности сцепления.
Метод изгиба. Образец с покрытием изгибают на оправке заданного диаметра. Оценивают появление трещин и отслоений.
Метод царапания (склерометрия). По покрытию проводят алмазным или стальным индентором с постоянной или возрастающей нагрузкой. Определяют критическую нагрузку, при которой происходит отслоение.

Количественные методы

Адгезиометрия. Использование специализированных приборов — адгезиометров, которые измеряют усилие отрыва, сдвига или отслаивания.
Акустическая эмиссия. Регистрация упругих волн, возникающих при разрушении адгезионных связей.
Метод контактного угла (краевого угла смачивания). Косвенно оценивает способность покрытия смачивать субстрат. Чем меньше угол, тем лучше смачивание и потенциально выше адгезия.

Факторы, влияющие на адгезию

Прочность адгезионного соединения зависит от множества факторов, которые можно разделить на три группы:

Свойства субстрата

Химический состав и поверхностная энергия. Металлы, стекло, керамика имеют высокую поверхностную энергию, что способствует хорошему смачиванию. Пластики (полиэтилен, полипропилен, фторопласты) — низкую, что требует специальной подготовки (активации).
Шероховатость. Оптимальная шероховатость увеличивает площадь контакта и механическое сцепление. Чрезмерная шероховатость может привести к неравномерности слоя и концентрации напряжений.
Чистота поверхности. Наличие загрязнений (жиров, масел, пыли, оксидных плёнок, ржавчины) резко снижает адгезию, так как создаёт барьерный слой.
Влажность и пористость. Влажные или замороженные поверхности препятствуют смачиванию. Пористые материалы (бетон, дерево) требуют грунтовок, заполняющих поры.

Свойства покрытия

Химический состав и рецептура. Введение в состав покрытия адгезионных добавок (силанов, титанатов, эпоксидных смол) повышает сродство к субстрату.
Вязкость и текучесть. Низкая вязкость обеспечивает лучшее проникновение в микронеровности, но может привести к стеканию.
Усадка при отверждении. Высокая усадка (например, у полиэфирных смол) создаёт внутренние напряжения, ослабляющие адгезию.
Температура нанесения и отверждения. Несоблюдение температурного режима может привести к неполному отверждению или деструкции покрытия.

Условия нанесения и эксплуатации

Способ нанесения. Окрашивание, напыление, окунание, валиковое нанесение — каждый метод имеет свои особенности по толщине слоя и равномерности.
Температура и влажность окружающей среды. Высокая влажность может вызвать конденсацию влаги на поверхности, а низкая температура — повысить вязкость покрытия.
Механические нагрузки. Изгиб, вибрация, ударные нагрузки могут разрушить адгезионные связи.
Химические и климатические воздействия. Ультрафиолетовое излучение, вода, агрессивные среды (кислоты, щёлочи, соли) могут вызывать гидролиз, набухание или химическую деструкцию межфазного слоя.

Подготовка поверхности (субстрата)

Ключевой этап для обеспечения высокой адгезии — подготовка поверхности. Основные методы:

Механическая обработка. Абразивоструйная (пескоструйная, дробеструйная) очистка, шлифовка, шабрение. Удаляет загрязнения, ржавчину, окалину и создаёт оптимальную шероховатость.
Химическая обработка. Травление кислотами (для металлов) или щелочами (для алюминия), обезжиривание растворителями, фосфатирование (создание фосфатной плёнки для улучшения адгезии и антикоррозионной защиты).
Плазменная и коронная обработка. Применяется для низкоэнергетических пластиков. Обработка в атмосфере плазмы или коронного разряда увеличивает поверхностную энергию за счёт образования полярных групп (карбоксильных, гидроксильных).
Грунтование. Нанесение специального промежуточного слоя (грунтовки), который обладает высокой адгезией как к субстрату, так и к последующему покрытию. Грунтовки часто содержат ингибиторы коррозии и адгезионные добавки.
Праймирование (силанизация). Нанесение тонкого слоя силанов, которые химически связываются с неорганическим субстратом (стекло, металл) и органическим покрытием, выступая в роли «молекулярного мостика».

Применение адгезии покрытий в различных отраслях

Машиностроение и металлообработка. Защитные лакокрасочные покрытия, антикоррозионные грунтовки, порошковые покрытия.
Строительство. Фасадные и кровельные материалы, гидроизоляция, клеевые составы для плитки, герметики.
Автомобильная промышленность. Кузовные краски, грунты, антигравийные покрытия, клеи для кузовных элементов.
Электроника и микроэлектроника. Защитные лаки для печатных плат, герметики, клеи для монтажа компонентов.
Медицина. Биосовместимые покрытия для имплантатов, стоматологические материалы, клеи для хирургии.
Упаковка. Ламинация, нанесение печатных красок, клеевые слои для этикеток.
Авиа- и судостроение. Специальные покрытия для защиты от коррозии, обрастания (антифулинг), эрозии.

Интересные факты

Адгезия гель-лаков к ногтевой пластине достигается за счёт химического взаимодействия метакрилатных мономеров с кератином ногтя.
Самая прочная известная адгезия наблюдается у некоторых видов морских организмов (например, усоногих рачков), чей цементный секрет на основе белков способен склеивать даже влажные и загрязнённые поверхности.
В космической технике для обеспечения адгезии покрытий в условиях вакуума и перепадов температур применяют специальные вакуумно-плотные грунтовки и методы ионно-плазменного напыления.
Проблема адгезии является одной из ключевых в технологии нанесения покрытий на полимерные композиционные материалы, так как их низкая поверхностная энергия требует сложной подготовки.

Источники

ГОСТ 15140-78 «Материалы лакокрасочные. Методы определения адгезии».
ISO 2409:2013 «Paints and varnishes — Cross-cut test».
ASTM D3359-17 «Standard Test Methods for Rating Adhesion by Tape Test».
Зимон А. Д. «Адгезия плёнок и покрытий». — М.: Химия, 1977.
Кинлок Э. «Адгезия и адгезивы: наука и технология». — М.: Мир, 1991.
Белый В. А., Егоренков Н. И., Плескачевский Ю. М. «Адгезия полимеров к металлам». — Минск: Наука и техника, 1971.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →