اصول مربوط به چسب ها و مواد آب بندی (3)

روش های مقایسه ای

روش های اتصال دهی مختلف، می تواند برای اتصال بخش های مختلف، مورد استفاده قرار گیرد، روش های اتصال دهی دیگر، عبارتند از اتصال دهی با چسب، جوشکاری، لحیم کاری و ایجاد اتصال های مکانیکی. این موارد در سه گروه کلی طبقه بندی می شود که در شکل 1 قابل مشاهده می باشد. دوره ای: اتصال دو غشاء با استفاده از پرچ و پیچ و یا سایر مکانیزم های منفرد (این نوع از اتصال دهی، برای ساختارهایی استفاده می شود که نیاز به استحکام مکانیکی بالا و حداقل میزان نشت کردن، وجود دارد).
خطی: یک اتصال لبه ای پیوسته و یا محلی با این روش ایجاد می شود مانند جوشکاری.
ناحیه: یک اتصال بوسیله ی تماس سطح به سطح کامل میان دو سطح از ماده، ایجاد می شود (لحیم کاری و چسب، مثال هایی از اتصال ناحیه ای است.
اگر چه پیوندهای چسبی می تواند به صورت موفقیت آمیز برای کاربردهای دارای حالت دوره ای و یا خطی، مورد استفاده قرار گیرند، مزیت ها و محدودیت های اصلی در زمان تشخیص داده می شوند که چسب ها، در اتصال ناحیه ای، مورد استفاده قرار گیرند.
در ارزیابی روش اتصال دهی مناسب برای یک کاربرد خاص، یک تعداد از فاکتورها، باید در نظر گرفته شوند. این فاکتورها در جدول 1 آورده شده است. عموماً هیچ روش منفردی برای ایجاد اتصال وجود ندارد که به عنوان بهترین روش، در نظر گرفته شود و فهمیدن مناسب بودن آن، واضح باشد. برخی روش های اتصال دهی، می تواند به سهولت در نظر گرفته نشود مانند جوشکاری سرامیک ها و یا استفاده از چسب های آلی در کاربردهایی که دمای سرویس دهی آنها بالاست. چسب ها معمولاً انتخاب خوب در مکان هایی هستند که زیرلایه ها از لحاظ فیزیکی غیر مشابه باشند مثلاً پلاستیک های ترموست، سرامیک ها، الاستومرها، مواد نازک و یا ذرات بسیار ریز. پیوندهای ایجاد شده با چسب، همچنین در مکان هایی مناسب هستند که ناحیه ی سطحی بزرگی برای ایجاد اتصال، وجود دارد. همچنین از چسب ها در زمان هایی استفاده می شود که بخواهیم بهره وری فرایند را افزایش دهیم. معمولاً تصمیم گیری در مورد روش اتصال دهی، یک سبک سنگین بین فاکتورهای مختلف است. یک آنالیز سبک و سنگین کردن، در جدول 2 قابل مشاهده می باشد. این روش می تواند به طور خوبی برای انتخاب روش اتصال دهی، استفاده شود. وقتی این مسئله انجام شد، احتمال استفاده از چسب ها، نسبت به روش های دیگر، تعیین می شود. علوم مربوط به پیوند دهی در چسب ها، به میزانی از پیشرفت رسیده است که چسب ها در بسیاری از کاربردها، به عنوان یک روش جایگزین برای چفت و بست مکانیکی در نظر گرفته می شود. پیوندهای چسبی، دارای برخی مزیت ها، نسبت به روش های مکانیکی چفت و بست می باشند. البته برخی محدودیت ها وجود دارد که ممکن است در عمل، در مورد اتصال با چسب ها، وجود داشته باشد. در جدول 3، این مباحث، گفته شده است. مهندس طراح باید این فاکتورها را پیش از تصمیم گیری در مورد روش ایجاد اتصال، در نظر بگیرد. به هر حال، در برخی از کاربردها، اتصال با چسب، تنها انتخاب می باشد.
برای مثال، در صنعت هواپیماسازی، چسب ها، برای ایجاد اتصال بین لایه های نازک و ساختارهای لانه زنبوری، استفاده می شود زیرا تنش های ایجاد شده در این ساختارها، به طور مؤثر با وجود چسب، انتقال می یابد و استفاده از چسب، بهتر از استفاده از جوش و میخ و پرچ، عمل می کند. پلاستیک ها، الاستومرها و مواد خاص (مانند آلومینیوم و تیتانیم) می تواند اغلب به طور مناسبی با چسب ها، اتصال یابند. جوشکاری عموماً در دماهای بسیار بالا انجام می شود و چفت و بست های مکانیکی نیز موجب افزایش وزن سازه و ویژگی های زیبایی مربوط به محصول نهایی می شود. مثال های معینی از این کاربردها، زمانی است که اتصال دهی با استفاده از چسب ها، یک روش عملی از اتصال محسوب می شود. این مسئله در جدول 4 نشان داده شده است. بحث زیر در مورد مزیت ها و محدودیت های چسب ها، باید برای استفاده کننده، فرصت مقایسه میان امکان استفاده از چسب ها، در یک کاربرد خاص را می دهد.

مزیت های مکانیکی

متداول تری روش ها برای ایجاد چفت و بست های ساختاری، در شکل 2 نشان داده شده است. اتصال با چسب ها، دارای محدودیت های زیادی نسبت به سایر روش ها، نیست. جوشکاری یا لحیم کاری، نیز یک روش مناسب برای ایجاد اتصال بین فلزات می باشد. فلزات غیر مشابه، معمولا دارای ضریب های انبساط حرارتی مختلفی هستند و از این رو، جوشکاری آنها مشکل می باشد. برخی فلزات اکسیدهای نامناسبی تشکیل می دهند که موجب می شود، جوشکاری آنها سخت باشد. بسیاری از فلزات سبک، مانند آلومینیوم، منیزیم و تیتانیم، به سختی جوشکاری می شوند و جوش ایجاد شده در آنها با حرارت دهی ناحیه ی جوشکاری، تضعیف می شود. روش های اتصال دهی دما بالا، موجب می شوند تا لایه های نازک تخریب شوند. خواص مفید حاصله از فریندهای عمل آوری حرارتی، می تواند به دلیل فرایندهای اتصال دهی دما بالا، تخریب شود. به عبارت دیگر، چسب ها در دمای پایین تشکیل می شوند و از این رو، مشکلات متداولی که در سایر روش ها، مشاهده می شود، در این روش، مشاهده نمی شود. بسیاری از چسب های پلیمری ویسکوالاستیک هستند و به صورت مواد انعطاف پذیر و با تافنس بالا، عمل می کنند. این مواد قابلیت انقباض و انبساط دارند. این مسئله موجب می شود تا اتصال مواد با ضرایب انبساط حرارتی متفاوت، مقدور شود. تافنس همچنین موجب می شود تا مقاومت این مواد در برابر سیکل های حرارتی و انتشار ترک، بیشتر شود.
ساختارهای پیوند داده شده، اغلب به صورت مکانیکی معادل هستند و یا گاهی اوقات، نسبت به روش های مونتاژ متداول، قویتر هستند.
یک چسب می تواند یک تنش را از یک جزء به جزء دیگر، انتقال دهد. بنابراین، تنش های محلی، از بین می رود. وقتی از بست های مکانیکی استفاده می شود، زیرلایه ها، ممکن ات نازک تر باشند و یا سخت کاری شده باشند تا بتوانند تنش های متمرکز را تحمل کنند، از این رو، موجب افزایش وزن و هزینه مونتاژ کاری می شوند. در نتیجه، چسب ها، اغلب به ساختارهای اجازه می دهند تا در هزینه های پایین تر و در وزن های پایین تر، تشکیل شوند.
مزیت های زیادی بدست می آید زیرا اتصال های ایجاد شده با چسب، قادرند تا تنش ها را به بخش های دیگر، انتقال دهند. به طور عکس، چفت و بست های مکانیکی و جوش های نقطه ای، نقاطی از اتصال را فراهم می آورند و نه یک ناحیه ی اتصال گسترده. در نتیجه، استحکام برشی چسب ها، می توانند تا 7000 psi افزایش یابد. ویژگی های توزیع تنش و تافنس ذاتی چسب ها، همچنین موجب ایجاد پیوندهایی می شوند که در برابر خستگی، مقاوم هستند (شکل 3). عموماً در اتصال هایی که به خوبی طراحی شده اند، خستگی مشاهده نمی شود. حفراتی که باید برای استفاده از پرچ و بست و سایر چفت و بست ها، استفاده شود، در مورد استفاده از چسب، مورد نیاز نمی باشد و از این رو، تمرکز تنش کمتری در این ساختارها، ایجاد می شود. حذف حفرات همچنین یکپارچگی اعضای ساختاری را حفظ می کند.

مزیت های طراحی

چسب ها، اغلب مزیت های طراحی قابل توجهی ایجاد می کنند. برخلاف پرچ و یا پیچ و مهره، چسب ها، یک خطوط صاف ایجاد می کنند که به صورت آیرودینامیکی و از لحاظ زیبایی، مزیت دارد. چسب ها همچنین نسبت به سایر روش های اتصال دهی مکانیکی، نسبت استحکام به وزن بالاتری ایجاد می کنند. چسب ها می توانند هر ماده ی جامدی را به هم متصل کنند و شکل، ضخامت یا عدم تطابق خواص فیزیکی مانند ضریب انبساط حرارتی و یا مدول الاستیک، بر این اتصال اثر خاصی ندارد. زیرلایه های خاصی ممکن است آنقدر نازک و یا کوچک باشند که نتوان آنها را جوشکاری کرد. بنابراین، محصولات پزشکی و میکروالکترونیکی اغلب با استفاده از چسب ها، به هم متصل می شوند.
مواد غیر فلزی مانند پلاستیک، الاستومرها، سرامیک ها و بسیاری از محصولات کاغذی، می توانند با استفاده از چسب ها، به هم متصل شوند و استفاده از چسب، از جمله اقتصادی ترین روش ها برای این کار، محسوب می شود.
چسب ها ممکن است همچنین راه خوبی برای افزودن قطعات در طراحی های معمولی باشند. این مسئله موجب می شود تا حفرات اضافی برای نصب چفت و بست های مکانیکی مورد نیاز نباشد و از این رو، هزینه های ماشین کاری، به طور قابل توجهی، کاهش یابد. تطبیق پذیری در زیبایی محصول، قابلیت اطمینان مکانیکی بالا و نرخ تولید بالا، از جمله مزیت هایی طراحی هایی است که در آنها، از چسب، استفاده شده است.

مزیت های تولید

پیوندهای ایجاد شده با استفاده از چسب ها، سریع تر ایجاد می شود و هزینه های مربوطه نیز پایین تر از روش های اتصال متداول می باشد. این روش برای تولید و مونتاژهای با سرعت بالا، مناسب می باشد. وقتی اندازه ی ناحیه ای اتصالی، افزایش یابد، زمان و نیروی کار مورد نیاز کاهش می یابد و بدین صورت، می توان حتی کل بخش ها در یک عملیات، متصل شوند. شکل 4 نشاندهنده ی مقایسه ای از روش اتصال فلز به فلز بدون پرچ، می باشد. برخی از چسب ها، به طور خاص، برای کاربردهای خاصی، مناسب می باشند. صنعت بسته بندی و بیشتر بخش های صنعت مبلمان و زینتی، از چسب استفاده می کنند زیرا چسب کاری و مونتاژ، فرایندی سریع است. در محصولات پزشکی، استفاده از چسب های عمل آوری شده با نور فرابنفش نیز معمول است. چسب های مورد استفاده در صنعت اتومبیل، باید قابلیت اتصال با التراسونیک را داشته باشند و از این رو، سرعت کار با آنها، بالاست.
اتصال با چسب، ممکن است گران تر از سایر روش های اتصال دهی باشد. به هر حال، هزینه های کلی مربوط به قطعات نهایی، ممکن است با استفاده از برخی مواد خاص، کاهش یابد. استفاده از فرایندها تولید خاص، مانند روش های رنگ زنی و خشک کردن، می توانند برای چسب ها نیز استفاده شود و بدین صورت، هزینه های تولید کاهش یابد.

سایر مزیت ها

چسب ها، برای ایجاد عملکردهای ثانویه و عملکردهای اولیه و در واقع در نگهداشتن زیرلایه ها در کنار هم، مناسب باشند. بسیاری از طراحان، احساس می کنند که یکی از ویژگی های قابل توجه اتصال های چسبی، طبیعت چند عملکردی آنهاست. علاوه بر ایجاد یک اتصال چفت و بستی، یک چسب، ممکن است همچنین به عنوان یک بخش آب بندی، یک گیرنده ی امواج ویبره، یک عایق و یک پرکننده ی حفره، عمل کنند. همه ی این عملکردها، بوسیله ی چسب، ایجاد می شود.
به دلیل اینکه چسب ها، موادی ویسکوالاستیک هستند، آنها می توانند به عنوان یک جاذب امواج ویبره عمل کرده و موجب کاهش نویز و سروصدا شوند. چسب ها می توانند عملکرد آب بندی داشته باشند و مانعی در برابر نفوذ مایعات و گازها، باشند. یکی دیگر از خواص چسب ها که اغلب به عنوان یک محدودیت از آن یاد می شود، قابلیت عایق کاری گرمایی و الکتریکی این چسب ها می باشد. میزان عایق کاری می تواند با فرمولاسیون و نوع پرکننده ی مورد استفاده، متفاوت شود. چسب ها حتی با استفاده از پرکننده هایی مانند نقره و نیترید بور، به ماده ی هادی در برابر گرما و الکتریسیته تبدیل می شوند. چسب ها معمولا رسانای الکتریسیته نیستند، آنها از خوردگی گالوانیک در زمان جلوگیری می کنند که زیرلایه ها، متفاوت باشند.

محدودیت های مکانیکی

مهم ترین محدودیت چسب های پلیمری، استحکام وابسته به زمان آنها در محیط های خورنده ای از جمله محیط های مرطوب، دماهای بالا و محیط های حاوی مواد شیمیایی، می باشد. برای مثال، چسب های آلی، در دمایی در گستره ی -60 تا 350 F عملکرد مناسبی دارند اما تنها چسب های اندکی وجود دارد که در خارج از این گستره، عملکرد خوبی داشته باشد. محیط های حاوی مواد شیمیایی و هوازدگی نیز از جمله عوامل تخریب چسب ها، می باشند. نرخ تخریب استحکام ممکن است با ایجاد تنش های پیوسته و یا دماهای بالا، تشدید شود.
ترکیب تنش پیوسته و رطوبت بالا، نیز یکی از مسائل تخریب کننده می باشد. چسب های خاص تنها در این محیط ها دوام می آورند اگر تنش های سرویس دهی آنها کمتر از تنش نهایی چسب باشد.
از آنجایی که کاربرد هر چسب، خاص می باشد، تولیدکننده های چسب اغلب اطلاعاتی در مورد عملکرد چسب های خود در محیط های خاص، ندارند. بنابراین، پیش از تولید هر چسبی، یک ارزیابی کامل از طریق شبیه سازی های واقعی و شبیه سازی های کامپیوتری، باید انجام شود.
در مورد اکثر چسب های ساختاری، استحکام راهنمای بهتری نسبت به اتصال های مکانیکی است. عموماً چسب ها در زمانی که تنش ها به صورت برشی یا کششی قرار می گیرند، کارایی بهتری از حالتی دارند که تحت نیروهای کلیواژ یا پوسته قرار می گیرند. تنش های باقیمانده ی در داخل اتصا، می تواند مشکلات جدی ایجاد کند. یک چنین تنش هایی موجب انقباض هایی می شود که به دلیل عمل آوری و یا پیر شدن، ایجاد می شوند و به دلیل ضریب انبساط گرمایی مختلف ایجاد می شوند.
مواد چسبی به طور خود به خود، هیچگاه نباید به عنوان یک زیرلایه ی ساختاری، مورد استفاده قرار گیرند. خطوط پیوند مستحکم با ضخامت اتصال غیر یکنواخت منجر به تمرکز تنش های نامناسب می شود. بسیاری از چسب ها، با استفاده از واکنش های شیمیایی گرمازایی عمل آوری می شوند که شدت آنها به جرم ماده، وابسته است. بنابراین، چسب های اپوکسی خاص، وقتی به صورت بالک، اعمال شوند، می توانند اوور- هیت شوند که علت این مسئلهف واکنش های ایجاد کننده ی پیوند عرضی می باشد. در واقع این بخش ها وقتی در سطح های ضخیم، عمل آوری می شوند، تخریب می شوند و یا می سوزند.

محدودیت های طراحی

اتصال های چسبی می توانند به دقت طراحی شوند و بدین وسیله، کارایی آنها، بهینه شود. فاکتورهای طراحی در واقع، نوع تنش، اثرات محیطی و روش های تولیدی است که مورد استفاده قرار گرفته است. بسیاری از چسب های صلب، در زمان اعمال تنش های خارجی به خوبی عمل نمی کنند و پوسته ای می شوند و یا از سطح، جدا می شوند. این تنش ها، می توانند اغلب با طراحی مناسب، حذف شوند و یا حداقل، کاهش یابند. به ندرت یک اتصال که برای چفت و بست های مکانیکی طراحی شده اند، می توانند برای اتصال های چسبی، مورد استفاده قرار گیرند. برخی اوقات، این باید تجدید نظرهایی در طراحی انجام شود که این تجدید نظرها، گاهی اوقات، منجر به افزایش هزینه ی تولید می شود.
هیچ استانداردی وجود ندارد که استفاده کننده در زمینه، طراحی، به آن مراجعه کند. در واقع همه ی فاکتورها، به چسب و زیرلایه، روش تولید مورد استفاده، محیط استفاده و ... وابسته می باشند. برخی از این فاکتورها، در زمان طراحی، مد نظر قرار نگرفته اند. بنابراین، این بسیار مشکل است که عمر مفید مربوط به یک اتصال چسبی، پیش بینی شود. فرایندهای تخمین طول عمر ساده ای که در بسیاری از صنایع، برای تعیین عمر ، استفاده می شود، برای چسب ها، قابلیت استفاده ندارد زیرا واکنش های زیادی در داخل اتصال پیوندی، ایجاد می شود. تنها روش مؤثر برای تخمین عمر مفید یک اتصال چسبی، بررسی یک نمونه ی آزمایشی، تحت شرایط محیطی است که در واقع تنش را بر روی اتصال، افزایش می دهد.

محدودیت های تولید

الزامات فراوری کند و حیاتی برخی از چسب ها، می تواند یکی از محدودیت های اصلی این چسب ها، به شمار آید، مخصوصاٌ زمانی که تولید با حجم بالا انجام می شود. چندین دغدغه ی مربوط به تولید، در زمانی در نظر گرفته می شود که عملیات های در حال طراحی می باشند. تمام چسب ها، نیازمند سطوح تمیز می باشند تا بدین صورت، بهترین نتیجه، حاصل شود. بسته به نوع و شرایط زیرلایه و استحکام پیوند چسب، آماده سازی سطحی مختلف، انجام می شود. این آماده سازی می توانند به صورت پاک کردن با حلال های ساده باشد و یا در صورت امکان، به صورت اچ شیمیایی باشد. چسب ها، نباید بر روی پوشش ها و یا چسب های دیگر، اعمال شوند، مگر آنکه ویژگی های مربوط به این مواد، به صورت دقیق، بررسی شده باشد. استحکام پیوند منتج شده، بزرگتر از ضعیف ترین ارتباط موجود در زنجیره، نمی باشد.
اگر چسب ها، دارای چند جزء باشد، این بخش ها، باید به دقت وزن شده و مخلوط شوند. عملیات های گیرش اغلب نیازمند حرارت دهی و یا اعمال فشار می باشد. زمان گیرش طولانی موجب می شود تا زمان مناسب برای مونتاژ، وجود داشته باشد. کنترل های فرایند صلب، نیز ضروری می باشد زیرا خواص چسب ها، به پارامترهای عمل آوری و آماده سازی سطحی وابسته است. بررسی اتصال نهای برای اطمینان از کیفیت، کار سختی است. این مسئله ضروری است که کنترل مناسبی بر روی کل فرایند انجام شود تا بدین صورت، اطمینان حاصل شود که کیفیت مناسب و یکنواخت است. آزمون های غیر مخرب می تواند به صورت کمی، استحکام پیوند را پیش بینی کند.

منبع مقاله : Handbook of adhesives and sealants/ Edxard M. Petrie