Измерение адгезии – силы сцепления между собой поверхностей, пребывающих в плотном фрикционном контакте – важно во многих сферах хозяйственной деятельности. Для этого разработаны и применяются ряд разновидностей измерительных приборов – адгезиметров. Адгезиметры используются при оценке прочности схватывания строительных материалов, поверхностных плёнок защитных покрытий, лакокрасочных материалов.

Классификация сил адгезионного взаимодействия и способы их оценки

Выделяют следующие виды механизмов адгезионной связи:

1. Электромагнитный, который действует на поверхности контакта двух тел, очищенных от загрязнений, окислов и т. д. На практике такая связь встречается редко, в основном на межатомном уровне.
2. Электростатический, проявляющийся во взаимодействии пар ионов с противоположным знаком. Характерен для поверхностей, способных активно накапливать при трении электростатические заряды.
3. Металлический, при которых на ряде участков контактируемых изделий происходит молекулярное сцепление поверхностей, локализуемое в поверхностных слоях.
4. Ковалентный, когда молекулярное сцепление происходит под влиянием сильных поперечных сил, прикладываемых к фрикционному контакту: под действием этих сил совершается взаимный переход электронов с одной поверхности на другую, т. е., диффузия.

Соответственно этому существует и несколько принципов измерения усилия адгезионного сцепления. Все они учитывают изменение реальной площади контакта под воздействием внешних сил, возникающие при этом напряжения, а также изменение основных показателей поверхностных плёнок и микрогеометрии контакта.

Коэффициент адгезии зависит от:

• Микротвёрдости поверхности по Виккерсу: с повышением твёрдости и модуля упругости адгезия снижается;
• Кристаллической структуры контактируемых материалов;
• Шероховатости смежных поверхностей;
• Состава атмосферы, где происходит контакт.

С учётом этого применяются два расчётных способа оценки силы адгезии. При первом из них определяется коэффициент адгезии k, который зависит от твёрдости по Виккерсу HV зависимостями вида:

k = (140,2878/HV) – 0,1648, если HV < 400;

k = 1/(0,0694HV-23,3015), если HV < 400.

При втором методе определяется адгезионный параметр Θ, служащий критерием влияния на износ и сцепление именно адгезии, а не поверхностных неровностей. Θ предлагается рассчитывать по формуле

Θ = Е·z1,5/β0,5γ, где:

— Е – модуль упругости;

— z – наибольший радиус кривизны поверхностей (можно использовать стандартный параметр Ra);

— β – среднее значение радиуса кривизны профиля;

— γ – энергия отрыва одной поверхности от другой.

Если Θ > 10, то адгезия несущественна, и её можно не учитывать.

Сложность всех расчётных методов заключается в способе оценки результата. Поэтому на практике используются адгезиметры, реализующие разные технологии определения прочности сцепления поверхностей. В качестве критерия выбирается время, сила или энергия, а для динамических систем – ещё и количество циклов до разрушения.

Адгезиметры, использующие метод равномерного отрыва

Сюда включают все адгезиметры покрытий, использующие метод измерения усилия сдвига, которое превышает прочность сцепления покрытий.

Отечественные механические адгезиметры производятся фирмой Константа. Наиболее популярным считается Константа АЦ – компактное приспособление, которое предназначено для определения силы адгезионного сцепления лакокрасочных покрытий. Прибор стандартизирован ГОСТ 27325. Он состоит из корпуса, в котором расположены грибок, захват и подпружиненная ручка, на боковой поверхности которой имеется измерительная шкала.

Грибок приклеивается к исследуемому покрытию, после чего пружинно-винтовым механизмом создаётся требуемое усилие отрыва (оно не превышает 1800 Н). Отсчёт показаний ведётся в единицах механического напряжения, погрешность отсчёта составляет 0,5…2 МПа, при предельном удельном усилии не более 6…10 МПа. В комплекте имеется два грибка разных диаметров. Константа АЦ компактна и проста в использовании, однако может применяться лишь при положительных температурах окружающей среды.

Более простые исполнения приборов от торговой марки Константа – адгезиметры-решётки АР – используются для оценки качества лакокрасочных покрытий методом последовательного получения системы взаимно перпендикулярных надрезов. По визуальному виду надрезов, используя специальную четырёхбалльную шкалу, судят о качестве покрытия.

Более мощными являются механические адгезиметры типа Elcometer, рассчитанные на максимальное давление отрыва до 50 МПа. Один из имеющихся в комплекте поставки упоров присоединяется к исследуемой поверхности, и при помощи муфты соединяется с поворотной ручкой, создающей необходимое усилие. Результат считывается на ЖК-дисплее. Прибор пригоден для оценки адгезии любых материалов, точность отсчёта составляет не менее 1%. Благодаря имеющемуся магнитному зажиму прибор можно использовать одной рукой.

В строительстве находит применение электронный адгезиметр типа ОНИКС-1.АП. Его используют для оценки усилия отрыва штукатурки и других поверхностных покрытий – гидроизоляции, плитки, клеевых соединений. В качестве нагружающего элемента применяется стальной диск или пластина, причём сама программа нагрузки может быть выбрана предварительно. В зависимости от усилия отрыва подбирается ход нагружающего устройства, а при запуске прибора все технологические параметры испытания – скорость, текущее усилие, сила отрыва – фиксируются автоматически. После проведения серии испытаний возможна автоматическая обработка результатов измерения. Питание от аккумуляторной батареи, а наличие универсального разъёма USB может быть использовано также для подключения электронного адгезиметра ОНИКС-1.АП к компьютеру или ноутбуку.

Адгезиметры, использующие метод неравномерного отрыва

В некоторых случаях отделение покрытия или плёнки от основного материала происходит постепенно, в результате расслаивания или отслаивания. При этом достовернее оценивать интенсивность адгезии не по усилию отрыва, а по углу и характеру отслаивания. По такому принципу действуют адгезиметры, вызывающие пространственное разрушение плёнки, в частности, электронные приборы марок АМЦ 2.20 или АМЦ 2.50.

Принцип действия таких измерительных устройств следующий. К определённому участку поверхности прикладывается изгибающий момент, который вызывает напряжения в зоне перехода от поверхностного покрытия к основному материалу. Покрытие начинается раскалываться, и – далее – неравномерно отдираться. Фактический момент отрыва постоянно сравнивается с эталонным значением, которое было задано до начала испытаний, о чём извещает звуковой сигнал. В момент начала отслаивания тон сигнала меняется, а прибор приступает к сравнительной оценке фактического момента.

Образцы для исследования подобным методом нуждаются в предварительной подготовке. Сам процесс определения интенсивности расслаивания таков:

1. Ножом прорезается покрытие вплоть до основной поверхности, и вырезается образец-шаблон определённых размеров.
2. Край отрезанной полосы осторожно приподнимается, и прикрепляется к захвату адгезиметра.
3. По считывающему устройству прибора устанавливают силу отрыва поверхностной плёнки, которое и служит мерой адгезионных сил.

Поскольку в адгезиметрах рассматриваемого типа отсутствуют механические преобразователи усилия и момента, то их можно использовать и при отрицательных температурах внешнего воздуха. Как и в любых электронных приборах, здесь имеется возможность работы от аккумуляторной батареи, а разъём USB обеспечивает подключение не только зарядного устройства, но и компьютера. Недостаток устройств, действующих по принципу определения неравномерности отрыва – сложность подготовки образца.

Значительно проще работают адгезиметры, определяющие прочность адгезии в результате испытания на кручение. К этой группе относятся измерители адгезии серии ПСО, например, ПСО МГ-4. Кроме определения сил отрыва поверхностных покрытий, их можно использовать для оценки качества пристрелки стальных деталей пороховыми монтажными пистолетами.

Линейка приборов серии ПСО рассчитана на усилия от 50 до 10000 Н, при погрешности получаемых результатов ± 2% (повышенный процент объясняется сложностями фиксирования усилия отрыва для вращающегося образца).

Цена адгезиметров определяется их техническими возможностями и точностью получаемого результат. Например, адгезиметры АР можно приобрести за 6500 руб., механические адгезиметры – за 25000…29000 руб. Цена на электронные адгезиметры стартует от 36000 руб.