مترجم: حبیب الله علیخانی
منبع:راسخون
 
طراحی اتصال
اتصالات آب بندی و چسبی، باید به گونه ای طراحی شود که بتواند استحکام کششی و برشی بالایی داشته باشد. اگر چه قطعات مونتاژ شده با استفاده از چسب از اتصالات با بست مکانیکی تشکیل شده اند، مزیت های ماکزیمم چسب ها، می تواند تنها در اتصالاتی بدست آید که تنها برای چسب، طراحی شده اند.
انتخاب و کنترل مواد و فرایندهای تولید
وقتی نوع چسب مناسب برای یک کاربرد انتخاب می شود، یک تعداد از ملاحظات مهم باید در نظر گرفته شود. فاکتورهایی که بر روی انتخاب چسب مهم می باشد در جدول 1 بخش اول این مقاله آورده شده است. با توجه به فاکتورهای کنترلی، بسیاری از چسب ها، برای شرایط مختلف، مناسب هستند.
فرایندهای تولید مناسب، باید سپس به گونه ای انتخاب شود که اتصالی با استحکام بالا در زمانی مناسب و هزینه ای بهینه، تشکیل شود. فرایند تولید دقیق به بسیاری از فاکتورها، مانند انتخاب چسب یا ماده ی آب بندی و موجود بودن ادوات، وابسته می باشد. به هر حال، وقتی چسب یا ماده ی آب بندی انتخاب می شود، فرایند تولید باید به طور مناسب کنترل شود. یک تغییر در پارامترهای فرایندی، می تواند بر روی میزان تنش های موجود در اتصال و حتی بر روی طبیعت شیمیایی ناحیه ی بین فازی، اثرگذار باشد.
اگر فردی بخواهد زیرلایه ی مورد استفاده را تغییر دهد، او باید کل فرایند اتصال را تغییر دهد. یک مثال، در مورد زیرلایه های الاستومری ولکانش یافته مانند نئوپرن، می باشد. این مواد دارای فرمولاسیون های مختلفی است که یک فروشنده ی الاستومر، می تواند بر اساس نیاز، یک ماده را بفروش برساند. به هر حال، فرمولاسیون ها، ممکن است شامل مواد مختلفی باشند (مانند توسعه دهنده های با وزن مولکولی پایین، پلاستیسایزر و ...) به نحوی که چسبندگی آنها، بسیار متفاوت می باشد.
مکانیزم شکست پیوند
همانگونه که مشابهت های زیادی در زمینه ی توسعه ی چسب ها و مواد آب بندی وجود دارد، مشابهت های زیادی در زمینه ی طبیعت شکست های ایجاد شده در زمینه ی مواد آب بندی و چسب ها نیز وجود دارد. شکسته شدن چسب ها، یک شکست پیوندی بین سطحی میان چسب و بخش های مجاور می باشد. شکست های پیوسته زمانی رخ می دهد که شکست به گونه ای ایجاد شود که یک لایه از چسب و یا ماده ی آب بندی، هنوز هم بر روی سطح اتصال، وجود داشته باشد. وقتی قطعات مجاور پیش از چسب بشکنند، شکست پیوسته در بخش های مجاور رخ داده است. حالت های شکست مختلف در شکل 1 بخش اول این مقاله، نشان داده شده است.
شکست های پیوسته ی ایجاد شده در داخل چسب ها و یا اطراف آنها، برخی اوقات، به عنون یک نوع شکست ترجیحی، در نظر گرفته می شوند زیرا استحکام ماکزیمم ماده در اتصال، در این حالت، فرارسیده است. به هر حال، حالت شکست نباید به عنوان یک معنای منفرد برای یک اتصال، در نظر گرفته شود. یک نوع پیوسته از شکست ها، ضرورتاً این اطمینان را ایجاد نمی کند که قطعه از لحاظ اقتصادی و عملی، مناسب است. به هر حال، آنالیز حالت شکست می تواند راهنمای خوبی برای تعیین این مسئله باشد که آیا شکست به دلیل وجود یک لایه ی مرزی ضعیف و یا آماده سازی سطحی نامناسب، ایجاد شود (جدول 1).
یک تداخل در طبیعت شکست می تواند با بررسی حالت شکست بوجود آید. برای مثال، اگر شکست چسب، به صورت بین صفحه ای باشد، استحکام چسبندگی بالک ماده ی چسب، می تواند بزرگتر از استحکام بین مولکولی چسب باشد. اگر استحکام کل اتصال مناسب نباشد، استفاده کننده نیازمند بررسی ضعیف ترین بخش می باشد. در این مورد، بهبود استحکام چسبندگی مربوط به یک ماده ی چسب یا آب بندی، بر کیفیت اتصال، اثری ندارد.
به عبارت دیگر، اگر شکست یک حالت پیوسته داشته باشد، استحکام پیوند بزرگتر از نیرویی است که توده را در کنار هم نگه می دارد. برای بهبود ویژگی های مربوط به این اتصال، باید به چسبندگی بالک چسب یا ماده ی آب بندی توجه شود. این اثرات داخلی وقتی نمایان می شود که بخواهیم با سعی و خطا، ویژگی های یک چسب را بهبود دهیم.
عامل اصلی ایجاد کننده ی یک شکست در یک چسب، به سختی تعیین می شود زیرا فاکتورهای بسیاری در اتصال چسب ها، دخیل هستند. به هر حال، فاکتورهای خاصی وجود دارد که در زمان چسبندگی، یاری رسان هستند و برخی از این فاکتورها نیز موجب سست شدن پیوند می شوند. اثرات این فاکتورها در شکل 1 به صورت شماتیک، نشان داده شده است. این مسئله دلیل این موضوع است که چرا هیچگاه در عمل، به استحکام تئوری یک چسب، نزدیک نمی شویم. این به طور واضح نشان می دهد که این فاکتورها، بر روی کاهش استحکام چسبندگی، مؤثرند.
اگر چسب ها، سطح زیرلایه را تر نکنند، ماکزیمم استحکام اتصال حاصله، کاهش می یابد. تنش های داخلی در طی تولید و در اتصال چسب، ایجاد می شود زیرا ویژگی های فیزیکی مختلفی از چسب ها و زیرلایه، وجود دارد. برای مثال، ضریب انبساط گرمایی چسب و زیرلایه، باید تا حد ممکنه نزدیک به هم باشد تا بدین صورت، تنش های داخلی ایجاد شده در بین زیرلایه و چسب، حداقل باشد. چسب ها می توانند با استفاده از پرکننده های مختلف، مورد عمل آوری قرار گیرند و بدین صورت، ضریب انبساط گرمایی آنها، بهبود یابد.
وقتی یک اتصال چسبی ایجاد می شود و در شرایط سرویس دهی قرار می گیرد، سایر نیروها نیز بر روی تضعیف اتصال، مؤثرند. نوع تنش، جهت اعمال آن نسبت به چسب و نرخ بارگذاری، فاکتورهای مهم تلقی می شوند. تنش های داخلی نیز می تواند استحکام پیوند را کاهش دهد (شکل 1).
مواد و فرایندهای عمومی
در این بخش، در مورد مواد و فرایندهای عمومی صحبت می شود که برای ایجاد اتصال های چسبی و استفاده از مواد آب بندی، استفاده می شود.
مواد مورد استفاده در تولید چسب ها و مواد آب بندی
سطوح جامد به ندرت به هم متصل می شوند اما اگر یک مایع در میان ان قرار داده شود، چسبندگی بین آنها ایجاد می شود. بنابراین، هر چیزی که این خاصیت را ایجاد کند، می تواند به عنوان چسب یا ماده ی آب بندی، استفاده شود. به هر حال، طبیعت زیرلایه، شیمی سطح آن، روش فرآوری و نوع بار و شرایط سرویس دهی، از جمله عوامل مؤثر در این زمینه می باشند. متخصصین علوم مواد مواد مختلف با وزن های مولکولی مختلف را برای استفاده به عنوان چسب و مواد آب بندی، توسعه داده اند.
اگر چه چسب ها و مواد آب بندی اغلب از انواع مشابهی از مواد پایه فرموله می شوند، این مواد معمولا به نحوی مهندسی می شوند که خواص مختلفی دارند. چسب ها و مواد آب بندی به گونه ای فرآوری می شوند که برای کاربردهای مختلف مورد استفاده قرار گیرند. این مواد عموماً یک ماده ی بر پایه ی آلی است، اگر چه برخی چسب های بر پایه ی مواد معدنی نیز برای کاربردهای خاص توسعه یافته اند. جدول 2 منشأ، نوع ماده ی پایه ی مورد استفاده و خانواده ی شیمیایی انواع مختلف خانواده های مواد چسب را نشان می دهد. مواد آلی مدرن تماماً موادی هستند که درصد بالایی مواد پلیمری دارند. در واقع پلیمرها، زنجیره های کربنی طویل هستند که می توانند ساختارهای سه بعدی تشکیل دهند. قدیمی ترین چسب ها و مواد آب بندی که امروزه هنوز هم استفاده می شوند، منشأ طبیعی دارند. متداول ترین چسب ها و مواد آب بندی، چسب های حیوانی، نشاسته، قیر یا قطران می باشند. چسب ها و مواد آب بندی طبیعی همچنین شامل دکسترین، آسفالت، پروتئین های گیاهی، رابر طبیعی و لاک می باشند.
برای اینکه یک ماده توانایی تبدیل شدن به چسب یا ماده ی آب بندی را داشته باشد، این ماده باید سه معیار داشته باشد: اولین مورد این است که این ماده باید به شکل مایع باشد و بتواند توانایی گسترش و تر کردن سطح را داشته باشد. دوم اینکه، این ماده باید قابلیت سخت شدن را داشته باشند بدون آنکه تنش در داخل آن ایجاد شود. سوم اینکه، این ماده باید در برابر محیط مقاومت کند.
پلیمرهای مدرن مواد ایده آلی هستند که از آنها در تولید چسب ها و مواد آب بندی، استفاده می شود. علت این استفاده این است که این مواد می توانند به صورت مایع اعمال شوند وسپس با عمل آوری، این مواد سخت شده و تشکیل یک توده ی جامد می دهند. این مواد مقاومت خوبی در برابر محیط های کاری و تنش های اعمالی دارند. فرایند سخت شدن در این مواد، ممکن است از طریق تبخیر آب یا حلال، سرد شدن از حالت مذاب، ایجاد واکنش های شیمیایی و تشکیل پیوند عرضی و یا عمل آوری زنجیره های مولکولی انجام شود.
جدول 3 مثال هایی از چسب های متداول و تغییراتی را نشان می دهد که برای تبدیل شدن این چسب ها به حالت جامد، ضروری می باشد.
چسب ها و مواد آب بندی مصنوعی بر پایه ی مواد آلی در واقع یکی از مباحث جالب توجهی می باشند که در این مقاله، در مورد آن صحبت خواهد شد. به هر حال، چسب ها و مواد آب بندی طبیعی و معدنی در این مقاله کمتر مورد بحث قرار گرفت زیرا استفاده های این چسب ها، اگر چه گسترده است، محدود به برخی کاربردها می شود.
فرایندهای تولید مورد استفاده برای چسب ها و مواد آب بندی
چسب های مدرن اغلب یک ترکیب از اجزایی هستند که دارای عملکرد خاص می باشند. فرمولاسیون مواد خام مربوط به سیستم های چسب و مواد آب بندی، خود به نوبه ی خود، یک تکنولوژی محسوب می شود. چسب ها و مواد آب بندی در اشکال مختلف تولید می شوند: مایع های یک و دو جزئی، محلول های بر پایه ی حلال، امولسیون های آبی، فیلم های دارای بخش محافظ و بدون بخش محافظ، قرص های پیش شکل دهی شده و یا قطعات اکسترودری و اشکال دیگر. این تنوع در فرمولاسیون ها و اشکال نهایی استفاده، شاخصی است از پیشرفت چسب ها و مواد آب بندی.
این محصولات عموماٌ بوسیله ی متخصصین فرمولاسیونی توسعه و آماده سازی می شود که در شرکت های تجاری بزرگ و کوچک، کار می کنند. یک فرمولاسیون چسب یا ماده ی آب بندی به ماده ی پایه ای وابسته است که بخش اصلی فرمولاسیون را تشکیل می دهد. فرایند و فرمولاسیون اغلب به طور کامل بوسیله ی تولید کننده، در نظر گرفته می شود. به هر حال، فرمولاسیون و روش های تولیدی وجود دارد که حالت عمومی می باشند زیرا به طور گسترده در مقالات، به آنها اشاره شده است. عموماً فرمولاسیون یک چسب یا ماده ی آب بندی شامل اجزای زیر است.
پایه ی چسب یا بایندر که در واقع جزء اصلی چسب محسوب می شود که مواد را در کنار هم نگه می دارد. بایندر عموماً جزئی است که نام چسب، از آن گرفته شده است. برای مثال، یک چسب اپوکسی ممکن است اجزای مختلفی داشته باشد اما ماده ی اصلی آن، رزین اپوکسی است.
یک سخت کننده یا هاردنر که در واقع جزئی است که به چسب اضافه می شود تا موجب شود عملیات عمل آوری آن، تسریع شود. سیستم های چسب دو جزئی، عموماً یک بخش پایه دارند و بخش دوم آنها، هاردنر می باشد. به محض ترکیب شدن، یک واکنش شیمیایی رخ می دهد که موجب می شود چسب سخت شود. برخی اوقات، یک کاتالیست در فرمولاسیون چسب اضافه می شود تا بدین صورت واکنش میان پایه و هاردنر، افزایش یابد. برخی چسب های خاص، تنها نیازمند یک منبع انرژی برای سخت شدن، می باشند. این منبع ممکن است نور فرابنفش و یا تابش های مختلف دیگر باشد. در این موارد، چسب ها ممکن است یک کاتالیست خاص داشته باشند نه یک هاردنر.
حلال ها برخی اوقات برای ایجاد فرایند پراکنده سازی در چسب ها، مورد نیاز می باشند. حلال هایی که به همراه رزین های مصنوعی و الاستومرها استفاده می شوند، عموماً مواد آلی هستند و اغلب یک مخلوط از حلال ها، برای حصول خواص مطلوب، مورد استفاده قرار می گیرند. راه هایی وجود دارد که حلال بعد از اعمال چسب، خارج می شود. بنابراین، حلال ها، عموماً تنها در کاربردهایی استفاده می شوند که راهی برای خروج حلال وجود داشته باشد.
یک جزء نیز به چسب اضافه می شود تا غلظت را کاهش دهد. این جزء رقیق کننده، نامیده می شود. رقیق کننده ها در اصل برای کاهش ویسکوزیته و اصلاح شرایط فرایندی برخی چسب ها و مواد آب بندی، استفاده می شوند. رقیق سازهای رآکتیو در واقع در طی عمل آوری، به صورت شیمیایی با ماده ی پایه واکنش داده و مانند حلال تبخیر نمی شوند. رقیق سازهای غیر رآکتیو بیشتر حلال ها هستند و در طی عمر مفید چسب و یا ماده ی آب بندی، از آن خارج می شوند.
پرکننده ها در واقع مواد غیر چسبی هستند که به چسب یا ماده ی آب بندی اضافه می شوند تا بدین صورت خواص کاری، استحکام، کارایی و سایر کیفیت های آن ها را اصلاح کنند. پرکننده ها همچنین به منظور کاهش هزینه های مواد مورد استفاده نیز استفاده می شوند. با استفاده انتخابی از پرکننده ها، خواص یک چسب و یا ماده ی آب بندی، می تواند به صورت قابل توجهی، تغییر کند. انبساط حرارتی، رسانایی الکتریکی و گرمایی، شرینکیج، ویسکوزیته و مقاومت گرمایی تنها برخی از خواصی است که بوسیله ی استفاده از پرکننده ها، اصلاح می شوند.
یک حامل یا تقویت کننده معمولاً یک لایه ی نازک از کاغذ و یا پارچه است که برای حمایت و تقویت ترکیبات چسبی مورد استفاده قرار می گیرد که نیمه عمل آوری است.
فرایندهای نهایی استفاده از چسب ها و مواد آب بندی
این تشخیص داده شده است که چسب ها و مواد آب بندی به خودی خود، تنها بخشی از اتصال محسوب می شوند و شگفت آور این است که این مواد نقش تعیین کننده ای در موفقیت اتصال ندارند. روش های تولید مورد استفاده در تولید یک اتصال، به ویژگی های مربوط به چسب و یا ماده ی آب بندی، وابسته می باشد. در شکل 2 تصویری از فرآوری چسب ها و مواد آب بندی، آورده شده است. به هر حال، این تشخیص داده شده است که کارهای انجام شده در هر بخش، بر روی کیفیت نهایی مؤثر است. برای مثال، انتخاب زیرلایه، بر روی روش مورد استفاده برای آماده سازی، مؤثر است. انتخاب چسب و یا ماده ی آب بندی نیز بر روی میزان آماده سازی سطحی، مؤثر است. ادوات فراوری مورد نیاز، زمان مورد نیاز و ... بر روی نوع چسب و ماده ی آب بندی مورد استفاده اثرگذار است. برای مثال، ترموپلاستیک های خاص در صنعت اتومبیل، مورد استفاده قرار می گیرند زیرا آنها می توانند به صورت گرمایی و در طی چند ثانیه، جوشکاری شوند. این مسئله برای تولید انبوه در صنعت اتومبیل، مناسب می باشد. بنابراین، فرایندهای عمومی که در ایجاد یک اتصال آب بندی و یا چسبی استفاده می شود، به عوامل مختلفی وابسته است. استفاده کننده باید روشی مناسب برای کاربرد خاص خود، پیدا کند و بتواند نتیجه ی مطلوب خود را بدست آورد.
اتصال دادن سطوح با استفاده از مواد آب بندی و چسب، شامل یک سری از عملیات های منفرد می باشد که هر کدام باید به صورت مناسب انجام شود تا بدین صورت نتیجه ی مناسب، بدست آید. تعداد عملیات ها و روش هایی که در واقع برای پیوند دادن ضروری است، به چند فاکتور وابسته می باشد. فاکتورهایی که در اینجا باید در نظر گرفته شوند، عبارتند از نوع مواد پیوند داده شده، طبیعت طراحی مورد استفاده، چسب مورد استفاده، امکانات موجود، زمان مجاز برای ایجاد اتصال و هزینه های مربوطه.
ایجاد اتصال های چسبی تا حدی منحصربفرد می باشند زیرا فرایندهای متعددی برای اعمال آنها، وجود دارد. روش های خاصی وجود دارد که از خود زیرلایه، به عنوان چسب، استفاده می کند. این روش ها به روش های جوشکاری حلال و جوشکاری گرمایی، معروف هستند. حرارت و یا حلال می تواند به روش های مختلفی مورد استفاده قرار گیرد و موجب اتصال دو زیرلایه مورد نظر شود.
بسیاری از مشکلاتی که در زمینه ی چسب ها و مواد آب بندی ایجاد می شود، به دلیل انتخاب مواد و یا طراحی ضعیف نیست، بلکه در واقع این مسائل، به دلیل روش های تولید اشتباه و یا غیر مرتبط ایجاد می شوند. استفاده کننده باید ادوات مناسبی را از تولیدکننده دریافت کند و بتواند به درستی از آنها، استفاده کند.

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