تئوری چسبندگی (5)

برهمکنش های مواد پلیمری

چسب عمدتاً به نیروهای توزیعی وابسته می باشد که در تمام مولکول ها، وجود دارد. برخی از پلیمرها، چسبندگی بهتری نسبت به سایر پلیمرها، دارند. علت این مسئله، وجود نیروهای واندروالسی است که بوسیله ی اتصال هیدروژنی و یا سایر برهمکنش های پذیرنده- گیرنده در سطح مشترک، ایجاد می شوند. اگر این اثرات سطح مشترک ناچیز باشد، تمام پلیمرها دارای خواص مشابه و یا ویژگی هایی هستند که تعیین کننده ی میزان مفید بودن چسب ها و مواد آب بندی در کاربردهای خاص می باشد.

مواد پلیمری

این طبیعی است که بپرسیم چرا بسیاری از مواد پلیمری با ترکیب شیمیایی مختلف و ساختار مشخص، تولیدکننده ی چسب ها و مواد آب بندی خوب هستند. دلیل این مسئله، این است که تمام مواد پلیمری دارای خواص اساسی هستند که برای تولید چسب، مناسب می باشند. در واقع این پلیمرها می توانند به خوبی سیلان یابند و از طریق واکنش های زنجیره ای به شکل جامد در آیند.
کارایی چسب ها و مواد آب بندی پلیمری به خواص فیزیکی پایه ی پلیمری وابسته می باشند. این کارایی همچنین به عوامل فرمولاسیون مورد استفاده برای اصلاح این پلیمرها، نیز وابسته می باشد. روابط میان ساختار شیمیایی یک پلیمر و خواص فیزیکی آن، و همچنین کارایی چسسب، علمی است که سالیان زیادی است توسعه یافته است. این علم نتیجه ای از مطالعات فنی استثنایی بر روی روابط میان خواص- ساختار است و موجب بهبود یادگیری ما در مورد فاکتورهایی می شود که کنترل کننده ی کارایی چسب و ماده ی آب بندی است.
خواص مهم برای چسب ها و مواد آب بندی
خواص دائمی و اساسی که برای چسب ها و مواد آب بندی ساختاری مهم می باشد، در واقع دمای تبدیل شدن به حالت شیشه ای، پارامتر حلالیت، انرژی سطحی آزاد و ویسکوزیته، می باشد. افزودن این مواد موجب می شود تا کیفیت های غیر پارامتری مربوط به میکروساختار و یا سازمان دهی چسب و ماده ی آب بندی، بهبود یابد. برخی از این خواص عمدتاً به زیرلایه ی مورد استفاده، وابسته می باشد.

خواص مهم برای چسب ها

انرژی های سطحی به طور قابل توجهی بوسیله ی ترکیب شیمیایی عمومی مولکول های پلیمری، کنترل می شوند. فاکتورهایی مانند پلاریته و عامل دار بودن سطحی مولکول ها، بر روی کشش سطحی اثرگذار می باشد و اثر قابل توجهی بر روی بهبود چسب دارد. این خواص عموماً بوسیله ی پلیمر پایه مورد استفاده در چسب و فرمولاسیون ماده ی آب بندی، مؤثر است.
افزودن عامل های کربوکسیل به پلیمرها، یک مکانیزم بهبود خوب برای چسب هایی می باشد که بر روی زیرلایه های قطبی، استفاده می شوند. بنابراین، گروه های COOH موجب بهبود چسبندگی پلی استرها، اکریلیک ها و اولفین ها بر روی این زیرلایه ها، می شود. سایر اتم های الکترونگاتیو کانند کلر و نیتروژن، موجب بهبود شانس چسبندگی از طریق ایجاد پیوند هیدروژنی در سطح مشترک می شود.
مواد با انرژی های سطحی بالا، در این کاربردها، ضروری است اما کافی نیست و این مورد برای تشکیل پیوند، کافی نیست. چسب باید رئولوژی مناسبی داشته باشد تا بتواند در زمان ایجاد اتصال، به خوبی جریان یابند. جریان یافتن وابسته به زمان چسب ها، که اغلب با ترشوندگی پر انرژی زیرلایه بوسیله ی چسب، اشتباه گرفته می شود، یک فاکتور مهم در استفاده از چسب ها، می باشد. خواص اصلی مؤثر بر جریان یافتن چسب، عبارتند از ویسکوزیته و وزن مولکولی.

خواص مؤثر بر پیوستگی

علاوه بر چسب های خوب، یک چسب و یا ماده ی آب بندی باید دارای استحکام پیوستگی خوبی باشد. فاکتورهایی که می تواند بر روی استحکام چسبندگی مؤثر باشد، شامل وزن مولکولی، کریستالینیتی، پیوند هیدروژنی، پیوند عرضی و سازگارپذیری می باشند.
خواص بسیاری از پیوند چسبی بوسیله ی موبیلیته ی ساختار زنجیره ی مولکولی، تحت تأثیر می باشد (شکل 1). وقتی بخش های زنجیره ی پلیمری به سهولت حرکت کنند مانند زمانی که دما از T_g بالاتر رود، آنها می توانند تحت ضربه و یا تنش های مکانیکی و یا ناشی از انبساط حرارتی، تغییر شکل دهند. این حرکت انرژی اعمال شده در یک تعداد اتم بزرگتر را گسترش می دهد و بنابراین، موجب می شود تا شانس بهتری برای مقاومت در برابر تنش برای پیوند، ایجاد شود. بنابراین، تردی کاهش می یابد و انعطاف پذیری افزایش می یابد. انعطاف پذیری مولکولی می تواند بوسیله ی شرایط زیر، کنترل شود.
افزایش وزن مولکولی موجب بهبود استحکام پیوستگی می شود اما اغلب موجب تضعیف چسبندگی می شود. کریستالینیتی می تواند به طور قابل توجهی موجب بهبود استحکام پیوستگی یک پلیمر شود و موجب شود تا به دمای ذوب آن برسد اما بیشتر کریستالینیتی می تواند موجب ترد شدن چسب شود. جوانه زنی غیر هموژن موجب بهبود استحکام پیوستگی تفلون FEP، نایلون 6 و پلی اتیلن در زمان ریخته گری می شود.

	اثر بر روی انعطاف پذیری
وزن مولکولی	منفی
دانسیته ی اتصال های عرضی	منفی
کریسالینیتی	منفی
	منفی
پرکننده ها	منفی
پلاستیسایزر	مثبت
عامل افزایش دهنده ی انعطاف پذیری	مثبت

چسب های با پیوند عرضی دارای خواص پیوستگی هستند که به وزن مولکولی میان اتصال های عرضی M_c وابسته است. استحکام برشی اتصال های آلومینیومی -اپوکسی با افزایش M_c، کاهش می یابد. به هر حال، انعطاف پذیری و تافنس نیز افزایش می یابد. شکل 2 نشاندهنده ی رابطه ی میان دانسیته ی پیوند عرضی و حالت فیزیکی رزین اپوکسی می شود. استحکام پیوستگی استثنایی مربوط به پلی آمیدها در مقایسه با سایر پلیمرهای متداول با و وزن مولکولی معادل، به دلیل وجود پیوندهای هیدروژنی داخل زنجیره ای، ایجاد می شود. چسبندگی استثنایی اپوکسی به آلومینیوم، رابر با سطح عمل آوری شده و سایر پلیمرها، به شیشه و پلیمرهای سلولزی، به دلیل برهمکنش های بین سطحی هیدروژنی است. اتصال هیدروژنی می تواند یک مورد خاص از اتصال های عرضی باشد.
مشابه تمام پلیمرها، چسب ها و مواد آب بندی، متحمل نوسان های حاصله از گرما، می شوند. دامنه ی این نوسان ها، در اصل بوسیله ی دما، انعطاف پذیری زنجیره، پیوند عرضی و میزان و نوع مواد پرکننده و تنش های فیزیکی، تحت تأثیر قرار می گیرد. یک میزان مشخص از انعطاف پذیری برای زنجیره مناسب می باشد زیرا این مسئله بر روی تافنس و حالت ارتجاعی مؤثر است. انعطاف پذیری بسیار بالا، ممکن است منجر به بروز خزش شود و یا موجب شود مقاومت چسب در برابر دما، کاهش یابد.
متخصصین چسب، از دمای انتقال به حالت شیشه ای (T_g) به عنوان یک اصل عملی برای ترکیب محصولات استفاده می کنند. T_g دمایی است که در آن، شیب نمودار دما- حجم، متحمل یک تغییر ناگهانی می شود. این مسئله در شکل 3 نشان داده شده است. این دما، دمایی است که در آن، موبیلیته ی مولکولی بیشتری نسبت به دماهای پایین تر، وجود دارد. T_g خاصیتی از پلیمر است که به ترکیب شیمیایی و میزان پیوند عرضی مولکول های آن، وابسته است. برای استحکام پیوند خوب و مقاومت به خزش، T_g مربوط به چسب ها و مواد آب بندی، باید بالاتر از دمای ماکزیمی باشد که اتصال در حین سرویس دهی، با آن روبروست. به هر حال، استحکام پوسته ای شدن، تا حد ممکن پایین خواهد بود اگر T_g بالا باشد. این مشکل است که یک چسب داشته باشیم که استحکام پوسته ای شدن بالایی داشته باشد و علاوه بر آن، استحکام پیوستگی و مقاومت در برابر عوامل محیطی آنها نیز بالا باشد. یک T_g بالا می توانند خواص دما پایین مربوط به چسب و ماده ی آب بندی را محدود کند. استحکام پیوند در دماهای بالا، می تواند با افزایش کریستالینیتی، پیوند هیدروژنی و پیوند عرضی، افزایش یابد. دماهای انتقال به حالت شیشه ای برای رزین های چسبندگی در جدول 1 آورده شده است. یک وابستگی به خواص رئولوژیکی مربوط به چسب های بالک و ویژگی های چسبندگی آنها، وجود دارد. برای مثال، اگر یک ماده ی پلیمری با پیوستگی ضعیف به عنوان چسب، مورد استفاده قرار گیرد، تقاضای مربوط به استحکام یک اتصال سطحی کمتر می شود اگر چسب یک آمیزه ی پلیمری با تافنس بالا باشد. از این رو، استحکام رئولوژیکی مربوط به چسب های پلیمری، یک نقش مهم در تعیین میزان استحکام اتصال دارد.
شکل 4 استحکام کششی مربوط به اسید کربوکسیلیک را نشان می دهد که با اکریلیک ترکیب شده است. این استحکام نسبت به دما ترسیم شده است. دمای انتقال به حالت شیشه ای برای این پلیمر 97 فارنهایت است. استحکام پیوند این اتصال، نمونه ای از استحکام مربوط به سیستم های چسبی ترموپلاست می باشد. در گستره ی رابری (بالاتر از دمای تی جی)، استحکام اتصال پایین است زیرا پلیمر به خودی خود، پیوستگی ضعیفی دارد. در دماهای پایین تر، رسیدن به تی جی، موجب می شود تا استحکام چسب- اتصال، افزایش یابد و در نزدیکی تی جی، این استحکام به حالت ماکزیمم می رسد. در ناحیه ی شیشه ای، این فهمیده شده است که استحکام اتصال به میزان تردی ماده ی چسبی، وابسته است. اگر چسب در حالت شیشه ای، ترد باشد، استحکام اتصال چسبی کاهش می یابد. در مورد پلاستیک ها و رزین های با تافنس بیشتر مانند اپوکسی های با پیوند عرضی، افت اندکی در استحکام در زیر دمای تی جی، وجود دارد. معمولا در این حالت، یک بخش مسطح در استحکام اتصال ماکزیمم، مشاهده می شود. از این داده ها، این فهمیده می شود که حالت رئولوژی بر روی استحکام اتصال چسب، مؤثر است. این مسئله شرایطی را نشان می دهد که در شکل 5 آورده شده است.
این مسئله جالب توجه است که میان استحکام اتصال چسبی و مدول ماده در حالت های رئولوژیکی مختلف، رابطه وجود دارد. سیستم های رابری دارای مدول پایین تری هستند و موجب می شوند تا استحکام برشی و کششی آنها افت کند. پلیمرهای شیشه ای دارای مدول بالاتری هستند و این مسئله موجب می شود تا استحکام چسبندگی اتصال آنها بالا رود.
به طور خلاصه باید گفت که استحکام های اتصال می تواند بوسیله ی خواص اساسی پلیمرها، تحت تأثیر قرار گیرد. این خواص شامل تمایل اتصال سطحی، استحکام چسبندگی به ماده ی پلیمری و ویژگی های رئولوژیکی مربوط به پلیمر می باشد. خواص رئولوژیکی ماده ی پلیمری میزان تغییر شکل ماده ی چسبی را در طی گسستگی اتصال، تعیین می کند.

برهمکنش های سطحی و بین سطحی

وقتی دو ماده به هم متصل می شوند، ترکیب منتج شده، حداقل دارای 5 المان است: سطح چسبندگی 1/ فاز بینی 1/ چسب/ فاز بینی 2/ سطح چسبندگی 2. توجه کنید که استفاده از پرایمرها و یا سایر ترکیبات مانند اسپیسرها و یا الیاف تقویت کننده، موجب می شود تا تعداد المان ها، به طور قابل توجهی افزایش یابد. استحکام اتصال، بوسیله ی استحکام ضعیف ترین المان، تعیین می شود. اغلب ضعیف ترین جزء نواحی فاز بینی است زیرا این بخش، عموماً جایی است که لایه ی مرز تضعیف شده، در آن ایجاد می شود. بررسی لایه های مرزی تضعیف شده و بررسی پدیده های ایجاد شده در نواحی فاز بینی اتصال، اطللاعات ارزنده ای برای ما مهیا می کند.

تئوری لایه ی مرزی

یک تفسیر در مورد چسب ها که برای توصیف پدیده ی چسبندگی، مفید است، تئوری لایه ی مرزی است که بوسیله ی Bikerman ارائه شده است. این تئوری وجود یک سطح مشترک یا در واقع یک لایه ی مرزی محدود را پیشنهاد می کند که از مولکول های جذب شده ای تشکیل شده است که از لحاظ طبیعی، از فاز بالک، متفاوت هستند. دیاگرام شماتیک نشان دهنده ی مثال هایی در مورد لایه ی مرزی تضعیف شده، در شکل 6 آورده شده است. معیار مربوط به چسبندگی خوب صرفا این است که لایه ی مرزی به اندازه ی کافی در برابر تنش های خارجی، مقاوم باشد. با توجه به گفته ی Bikerman، گسستگی یک اتصال چسبی، در عمل همواره در داخل یک فاز منفرد شروع می شود نه در بین دو ماده. گسستگی در نقطه ای شروع می شود که تنش های محلی از میزان استحکام این نقطه، افزایش یابد. وقتی شکست در قشر مرزی اتفاق می افتد، یک لایه ی مرزی تضعیف شده، ایجاد می شود.
لایه های مرزی تضعیف شده ممکن است به دلایل متعددی ایجاد شود. اغلب تشکیل غیر قابل پیش بینی است و تعیین ترکیب واقعی لایه ی مرزی، کاری سخت و غیر ممکن است. مثال هایی از لایه های مرزی تضعیف شده، به صورت زیر می باشد:

به دام افتادن هوا

ناخالصی یا گونه های با وزن مولکولی پایین که در نزدیکی سطح قرار دارند
لایه های اکسیدی که به صورت پیوسته تضعیف شده اند و بر روی سطح زیرلایه قرار دارند
تخریب شیمیایی پوشش، پلیمر چسبنده و یا زیرلایه در طی فرایند اتصال
تخریب شیمیایی و یا خوردگی میان چسب و زیرلایه.

ناحیه ی فاز وسطی

Sharpe جنبه ی لایه ی مرزی تضعیف شده ی دو بعدی را که بوسیله ی Bikerman پیشنهاد شده بود، توسعه داد و آن را به صورت سه بعدی در نظر گرفت. فازهای بینی نواحی نازکی از اتصال هستند که دارای خواصی هستند که نسبت به ماده ی بالک، متفاوت می باشد. این نواحی به اندازه ای نازک هستند که دارای خواص آنها مانند مدول، نسبت پواسون، استحکام کششی و ... بر روی اتصال، مؤثر می باشد.
نواحی فاز وسطی یا بینی می تواند بوسیله ی انجماد پلیمرهای خاص بر روی زیرلایه های با انرژی بالا و خاص، ایجاد شود. ساختار بین سطحی نشاندهنده ی ویژگی های ترکیبی و ساختاری پلیمر و ماده ی زیرلایه و شرایط محیطی، می باشد. جامد شدن این سازمان دهی را حفظ کرده و فاز وسطی ایجاد می کند که دارای خواص منحصربفردی است. این خواص موجب می شوند تا این بخش، به عنوان یک بخش اصلی در اتصال، تلقی گردد و بر روی پاسخ مکانیکی ساختار، اثرگذار باشد. مثال هایی از این مورد، عبارتند از پلیمرهای نیمه کریستالی مانند پلی اتیلن. وقتی این پلیمرها از حالت مذاب، جامد می شوند و در تماس با یک زیرلایه ی جامد، قرار دارند، یک ساختار متفاوت در نزدیکی سطح مشترک، ایجاد می شود که ساختار شبه کریستالی، نامیده می شود. این ناحیه دارای خواص مکانیکی هستند که از ساختار بالک پلی اتیلن، متفاوت می باشد.
نواحی فاز وسطی بر روی سطوح فلزی، عموماً اکسیدهای پیچیده هستند. خواص مکانیکی مربوط به یک اکسید بر روی سطح زیرلایه ی فلزی، به تاریخچه ی ذرات فلزی وابسته است. خواص یک چنین فاز بینی بوسیله ی شرایطی تعیین می شود که این لایه ها تشکیل می شود.
این واضح است که فاز وسطی که کاملا نازک است، اثر زیادی بر روی خواص تغییر شکل اتصال، ندارد. به هر حال، این بخش ها، اثر قابل توجهی بر روی خواص نهایی مانند تنش شکست اتصال دارند. این مسئله به طور وقتی مهم می باشد که ناحیه ی فاز بینی به عوامل محیطی مانند دما و رطوبت، حساس باشد.
این مسئله محتمل است که فاز بینی از لحاظ ترکیب و ساختار هموژن نباشد و بنابراین، خواص آن در طی عرض، تغییر کند. تحقیقاتی نیاز است تا پاسخ سوالاتی مانند نحوه ی مدل سازی این نواحی، نحوه ی اصلاح خواص سطحی این نواحی و نحوه ی اندازه گیری خواص این نواحی، پاسخ داده شود.


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