Адгезия: что это такое и как её проверяют

Что такое адгезия

Адгезия (от лат. adhaesio — прилипание) — сцепление поверхностей двух разных материалов, которые привели в контакт: краски и стали, клея и пластика, цинка и железа. Материал, который наносят, называют адгезивом, а поверхность, на которую наносят, — субстратом или основой. Количественно адгезию выражают силой, которую нужно приложить, чтобы разделить материалы, — это адгезионная прочность соединения. Чем она выше, тем прочнее соединение и тем дольше оно выдерживает механическое и климатическое воздействие.

Для покрытий адгезия — первое условие работы. Лакокрасочное, гальваническое или полимерное покрытие защищает металл, только пока плотно с ним сцеплено. Если сцепление слабое, на участке с плохой адгезией под плёнку проходит влага, начинается коррозия, и покрытие отслаивается пузырями и полосами. Поэтому адгезию проверяют при приёмке покрытий, при выборе лакокрасочных материалов и после климатических испытаний.

Адгезия — свойство пары материалов, а не одного из них. Одна и та же краска хорошо держится на фосфатированной стали и плохо — на гладком цинке или алюминии без грунта. Поэтому в технических данных лакокрасочных материалов адгезию указывают для конкретной основы и способа подготовки поверхности.

Адгезия и когезия

Прочность покрытия на отрыв складывается из двух величин, и обе влияют на результат испытания. Их путают, хотя при испытаниях их различают по тому, где прошёл разрыв.

Если при испытании на отрыв разрыв прошёл по слою краски, это значит, что адгезия к металлу выше, чем прочность самой краски, — для покрытия это хороший результат. Смешанное разрушение — часть площади по границе, часть по материалу — записывают в протокол с долей каждого вида в процентах. Отдельно выделяют аутогезию — сцепление двух слоёв одного и того же материала, например при нанесении краски в несколько слоёв.

Виды и механизмы адгезии

Почему одно вещество держится на поверхности другого, объясняет несколько теорий адгезии. В реальном соединении механизмы действуют вместе, но один обычно главный — он и определяет свойства соединения.

• Механическая адгезия. Жидкий материал затекает в поры, царапины и неровности поверхности и после отверждения держится в них как в замке. Поэтому шероховатая поверхность после абразивоструйной обработки держит краску лучше гладкой.
• Физическая (молекулярная) адгезия. Взаимодействие молекул покрытия и металла: притяжение силами Ван-дер-Ваальса и водородными связями. Действует на расстояниях в доли нанометра, поэтому требует плотного контакта и чистой поверхности.
• Химическая адгезия. Между веществом покрытия и поверхностью образуются химические связи. Так работают фосфатный и хроматный слои, грунты с активными группами, силановые праймеры. Это самый прочный вид сцепления.
• Электрическая адгезия. На границе разнородных материалов образуется двойной электрический слой, и покрытие удерживается электростатическим притяжением.
• Диффузионная адгезия. Молекулы двух материалов проникают друг в друга. Характерна для полимеров, сварки пластмасс и для металлических покрытий, которые после нанесения прогревают.

Металлическое гальваническое покрытие на хорошо подготовленной поверхности сцепляется с деталью металлической связью: атомы осаждаемого металла встраиваются в кристаллическую решётку детали. Поэтому гальваника так чувствительна к чистоте поверхности — оксидная плёнка толщиной в несколько нанометров уже мешает такой связи.

Смачивание и работа адгезии

Чтобы покрытие сцепилось с поверхностью, жидкий материал сначала должен её смочить — растечься и войти в контакт со всей площадью. Смачивание оценивают по краевому углу θ между поверхностью и касательной к капле.

• θ меньше 90° — жидкость смачивает поверхность и растекается: условие для хорошей адгезии.
• θ больше 90° — жидкость собирается в каплю, контакт неполный. Так ведёт себя вода на промасленном металле и краска на поверхности с остатками силикона.

Работу адгезии — энергию, которую нужно затратить, чтобы разделить два материала на единице площади, — связывает с краевым углом уравнение Юнга — Дюпре: W = σ (1 + cos θ), где σ — поверхностное натяжение жидкости. Чем меньше угол, тем больше работа адгезии. Отсюда практическое правило: перед окраской и гальваникой поверхность должна смачиваться водой сплошной плёнкой без разрывов — это простая проверка качества обезжиривания.

Где важна адгезия: примеры из разных отраслей

Адгезия определяет качество любого соединения разных материалов. Примеры из разных отраслей:

• Машиностроение и металлообработка. Лакокрасочные, порошковые и гальванические покрытия деталей, антикоррозионная защита металлических конструкций, клеевые соединения металлов, герметики резьбы. Плохая адгезия — отслоившаяся краска и коррозия под покрытием.
• Строительство. Сцепление штукатурки, плиточного клея и гидроизоляции с бетоном, адгезия битума к щебню в асфальтобетоне. Строительный состав держится на чистом и прогрунтованном основании и отслаивается с пыльного и мокрого.
• Электроника. Сцепление медной фольги со стеклотекстолитом печатной платы, паяльной маски и влагозащитного лака с платой.
• Полимеры и композиты. Сцепление волокна со связующим, резины с металлом в резинотехнических изделиях, клея с пластиком.
• Медицина и биология. Термин используют и для живых клеток: адгезия тромбоцитов, клеточная адгезия — прикрепление клеток к поверхности и друг к другу. Здесь речь только о технических материалах.

Во всех случаях работает одно правило: свойства соединения определяет самое слабое место — контакт двух материалов или прочность одного из них. Качество адгезии зависит не только от состава материала, но и от процесса нанесения и подготовки поверхности.

От чего зависит адгезия покрытия

На адгезионные свойства покрытия влияют различные факторы. Их делят на три группы: состояние поверхности, свойства и состав покрытия, условия процесса нанесения и эксплуатации.

• Чистота поверхности. Масла, смазочно-охлаждающая жидкость, отпечатки пальцев, пыль и соли не дают покрытию соприкоснуться с металлом. Это самая частая причина отслаивания.
• Окалина, ржавчина и оксидная плёнка. Покрытие держится на них, а они — плохо на металле. Степень очистки от окалины и ржавчины перед окраской задаёт ГОСТ 9.402-2004.
• Шероховатость. Умеренная шероховатость увеличивает площадь контакта и даёт механическое сцепление. Слишком грубая поверхность с высокими пиками остаётся непрокрашенной на вершинах — подробнее о параметрах Ra и Rz в статье «Шероховатость поверхности».
• Материал детали. Алюминий, цинк, нержавеющая сталь и полимеры с низкой поверхностной энергией требуют специальной подготовки — травления, грунта, конверсионного слоя.
• Внутренние напряжения в покрытии. Толстое покрытие при отверждении или осаждении сжимается и тянет за собой край — так появляется отслаивание на кромках. Поэтому толщину назначают по стандарту, а не «с запасом».
• Условия нанесения. Температура и влажность воздуха, точка росы, время между подготовкой и окраской, режим сушки или плотность тока в гальванической ванне.
• Эксплуатация. Влага, перепады температур, ультрафиолет и коррозия под плёнкой со временем снижают адгезию. Поэтому её проверяют не только сразу после нанесения, но и после климатических испытаний.

Как повысить адгезию покрытия к металлу

Почти все способы улучшения адгезии — это подготовка поверхности. На металле её выполняют в определённом порядке.

1. Обезжиривание — щелочное, растворителями или в ультразвуковой ванне. Проверка — сплошная плёнка воды без разрывов.
2. Удаление окалины и ржавчины — травлением в кислоте или абразивоструйной обработкой. Абразив одновременно создаёт шероховатость.
3. Конверсионный слой — фосфатирование перед окраской для стали и цинка, хроматирование или химическое оксидирование для алюминия. Слой химически связан с металлом и держит краску лучше голого металла.
4. Грунт или праймер — промежуточный слой, который хорошо держится на металле и на котором хорошо держится финишная краска.
5. Подслой для гальванических покрытий — металл, который сцепляется и с деталью, и с покрытием: медь на стали перед оловом, никель перед декоративным хромом.
6. Нанесение без паузы. После подготовки поверхность снова окисляется и собирает влагу из воздуха, поэтому окраску или загрузку в ванну начинают сразу.

Специальные добавки — промоутеры и усилители адгезии — вводят в состав красок, клеев и герметиков, когда поверхность нельзя подготовить механически или химически, например для пластиков. На металле их действие не заменяет очистку.

Методы контроля адгезии

Адгезию покрытий проверяют разрушающими методами: покрытие режут, отрывают или деформируют вместе с деталью. Поэтому испытывают образцы-свидетели, окрашенные вместе с партией, или выборочные детали. Метод выбирают по виду покрытия, толщине и требованию документации. Оборудование для контроля адгезии простое: многолезвийный нож или резак с шаблоном, липкая лента, лупа, для метода отрыва — адгезиметр с набором грибков и клей. Поэтому проверку можно выполнять и в лаборатории, и прямо на производстве.

Метод решётчатого надреза: классы 0–5

Самый распространённый способ проверки адгезии лакокрасочных покрытий — метод решётчатого надреза. Его выполняют прямо на детали или на образце, результат получают за несколько минут.

Порядок испытания: многолезвийным ножом или одним лезвием по шаблону делают шесть параллельных порезов до металла, затем ещё шесть под прямым углом — получается решётка из 25 квадратов. Поверхность сметают мягкой кистью, на решётку наклеивают липкую ленту, прижимают и через пять минут срывают под углом около 60°. Решётку рассматривают через лупу и сравнивают с эталонными изображениями стандарта. Шаг решётки зависит от толщины покрытия:

Результат выражают классом от 0 до 5 — по доле отслоившегося покрытия в решётке:

Для большинства защитных покрытий допускают классы 0 и 1. В документации старых изделий встречается оценка по ГОСТ 15140-78: там шкала обратная и короче — от 1 (лучший) до 4 баллов. Сравнивать результаты по двум стандартам напрямую нельзя, поэтому в протоколе указывают стандарт метода. Покрытия толще 250 мкм решёткой не проверяют: нож не прорезает слой ровно. Для них делают X-образный надрез или испытание на отрыв.

Метод отрыва: адгезия в МПа

Метод отрыва даёт адгезию числом. К покрытию приклеивают металлический грибок диаметром 20 мм, после отверждения клея покрытие вокруг грибка прорезают до основы, а сам грибок отрывают адгезиметром, плавно увеличивая усилие. Адгезионная прочность равна силе отрыва, делённой на площадь грибка, и выражается в мегапаскалях.

Вместе с числом в протокол записывают характер разрушения — по какой границе или по какому слою прошёл разрыв и какая доля площади на что пришлась. Стандарт обозначает их буквами: разрушение материала детали, отрыв первого слоя от металла, разрушение внутри слоя, отрыв слоёв друг от друга, разрушение клея или отрыв клея от грибка. Если разрыв прошёл по клею, настоящая адгезия покрытия выше полученного числа, и в протоколе пишут «не менее» найденного значения.

Метод отрыва используют для толстых и многослойных систем — антикоррозионных покрытий металлоконструкций, порошковых и полимерных покрытий, а также когда в документации задана адгезия в МПа.

Сцепление гальванических покрытий

Для металлических и неорганических покрытий — цинка, никеля, хрома, олова, оксидных и фосфатных слоёв — адгезию называют прочностью сцепления и проверяют по ГОСТ 9.916-2023, который с 1 октября 2026 года заменил ГОСТ 9.302-88. Методы другие: деталь или образец изгибают до излома, навивают проволоку на стержень, наносят сетку царапин резцом, нагревают в печи и резко охлаждают в воде. Сцепление признают удовлетворительным, если на покрытии нет вздутий, отслаивания и шелушения. Подробно методы и температуры термошока разобраны в статье «ГОСТ 9.302-88 и ГОСТ 9.916-2023: методы контроля покрытий».

Плохое сцепление гальванического покрытия почти всегда связано с подготовкой поверхности: остатки масла, оксидная плёнка, пауза между активацией и ванной. Поэтому на гальваническом участке перед каждым покрытием идёт своя цепочка операций — обезжиривание, промывка, травление, активация — а для пар металлов, которые плохо сцепляются напрямую, наносят подслой.

Подготовка поверхности и покрытия в технопарке ЗЭМ

Гальванический участок технопарка наносит покрытия на детали по чертежу заказчика и выполняет подготовку поверхности под каждое из них: обезжиривание, травление, активацию, подслой меди или никеля. Для деталей под порошковую окраску — фосфатирование перед покраской: фосфатный слой увеличивает адгезию краски и не даёт коррозии расходиться под плёнкой от царапины. Стойкость окрашенных образцов в соляном тумане, во влажной камере и при смене температур проверяют в испытательной лаборатории — см. климатические испытания лакокрасочных покрытий.