آمادگی سطحی در چسب ها و مواد آب بندی (1)

مقدمه

از آنجایی که چسب ها و مواد آب بندی از طریق اتصال سطحی عمل می کنند، طبیعت و شرایط سطح زیرلایه، برای موفقیت هر پیوند و یا عملکرد آب بندی، ضروری می باشد. 4 معیار متداول عموماً برای ایجاد یک سطح پیوند ایده آل، تشخیص داده شده است: تمیزی، پیوستگی، مناسب بودن و ترشوندگی سطحی بوسیله ی چسب یا ماده ی آب بندی.
تمیزی ضرورتاً بدین معنا نیست که هیچ لایه ی سطحی وجود ندارد زیرا برخی از لایه های سطحی به طور محکم به زیرلایه های بالک متصل می شوند و بدین صورت، یک سطح مناسب را برای ایجاد یک اتصال، بوجود می آورند. به هر حال، تمیزبودن نیازمند حذف لایه های مرزی ضعیف و یا ناخواسته ای مانند روغن، کثیفی و آثار خوردگی می باشد. هدف تمیزبودن سطح، حذف هر ماده ای است که موجب می شود یک اتصال ضعیف ایجاد شود.
ناپیوستگی ها بر روی سطوح چسبندگی، خواه شیمیایی و خواه فیزیکی، ممکن است اثر عکس بر استحکام ظاهری اتصال داشته باشند. این مسئله به دلیل ایجاد نواحی های متمرکزی می شود که در آنها اتصال ضعیف وجود دارد و یا تمرکز تنش در این بخش ها وجود دارد. ناپیوستگی ها ممکن است همچنین موجب شود تا فرایند تمیز کردن سطحی و یا عملیات سطحی، به صورت غیر هموژن انجام شود. این ناپیوستگی ها می تواند به دلیل فرایندهای تولید ناجور و یا عدم یکنواخت بودن شیمیایی در داخل زیرلایه، ایجاد شود.
مناسب بودن سطح زیرلایه، پیش از اتصال و پس از اتصال، مهم می باشد. لایه های پیوندی ناخواسته می تواند در فاصله ی زمانی عملیات سطحی و اعمال چسب، ایجاد شود. این مسئله در واقع به محیط کاری و فعالیت سطحی ماده، وابسته می باشد. لایه های مرزی خاص می توانند همچنین بعد از عمل آوری چسب و یا ماده ی آب بندی، ایجاد شود. این مسئله نیز به طبیعت پیوند و میزان خوردگی محیط اتصال، وابسته می باشد. لایه های مرزی که بعد از مونتاژ اتصال و در طی سرویس دهی، ایجاد می شوند، ممکن است بیشترین گیج کنندگی را ایجاد کند. علت این مسئله، این است که این لایه ها غیر منتظره هستند و ممکن است مجر به بروز شکست های زود هنگام و فاجعه بار شوند.
ترشوندگی سطوح چسبندگی یک فرایند مهم و مورد نیاز برای ایجاد یک اتصال می باشد. میزان های مختلفی از ترشوندگی وجود خواهد داشت و این مسئله به شیمی سطح وابسته می باشد. این شیمی سطحی نیز در واقع به تماس ایجاد شده بین چسب و زیرلایه، وابسته می باشد. مشابه با قابلیت ترشوندگی سطحی، زبری سطحی و توپولوژی سطحی نیز بر روی استحکام اتصال پیوندی مؤثرند. میزان مناسب بودن سطح پیوند نیز به نوع و میزان تمیزی و یا عملیات سطحی وابسته است که پیش از اعمال چسب یا ماده ی آب بندی، استفاده شده است.
این مقاله در واقع فاکتورهای سطحی بحرانی را معرفی می کند که بر روی تشکیل، استحکام و دوام یک اتصال چسبی و یا آب بندی، مؤثرند. این مهم است که یک سری اطلاعات عمومی در مورد سطوح زیرلایه و فاکتورهایی داشته باشیم که موجب می شوند این موارد تغییر کنند. شرایط سطحی در واقع موفقیت عملیات اتصال را تعیین خواهد کرد. این مقاله همچنین انواع مختلف روش های تجاری را معرفی می کند که برای کنترل شرایط سطحی، استفاده می شود و یک اصل مناسب برای اتصال ماده ی آب بندی و یا چسب مهیا می کند. فرایندهای تمیزکاری مختلف و عملیات های سطحی به همراه کاربردهای متداول آنها، نیز توصیف شده است. در حقیقت، این عملیات های سطحی در موفقیت بسیاری از کاربردهای چسب ها و مواد آب بندی، تأثیرگذار می باشند.

طبیعت سطوح زیرلایه

عبارت سطح چسبنده در علوم چسب، عموماً به عنوان بخشی از سطح تعریف می شود که با برهمکنش اتصال ایجاد می کند. سطح هم به صورت ناحیه و هم عمق برهمکنش تعریف می شود. برای یک تک کریستال کلیواژی که به تازگی شکسته شده است، این ناحیه ی برهمکنش ممکن است تنها یک یا دو لایه ی اتمی عمق داشته باشد. برای آلومینیوم آنودایز شده، این عمق ممکن است به چند صد نانومتر نیز برسد. برای یک سطح با تخلخل بالا مانند چوب، ناحیه ی برهمکنش، ممکن است چند میلیمتر عمق داشته باشد.
وقتی یک سطح جامد صاف را در زیر یک میکروسکوپ بررسی کنیم، این فهمیده می شود که بخش های نامنظمی در سطح وجود دارد. این سطح در واقع مسطح و صاف نیست بلکه شامل بخش های خشن مانند پیک ها و دره ها می باشد. یک سطح زبر می تواند ناحیه ی اتصال بیشتری نسبت به سطح صاف ایجاد کند. ناحیه ی سطح مؤثرتر در واقع یک میزان سطح بیشتری را برای نیروهای چسبندگی فراهم می آورد و بدین صورت، اتصالی قوی تر، ایجاد می کند. به هر حال، یک میزان بیشتر از زبری سطحی می تواند موجب تمرکز تنش در اتصال ایجاد کند و بدین صورت میزان استحکام اتصال افت می کند. این پدیده مشابه با اثر شکاف در سطوح و اثر آنها بر روی استحکام، می باشد. این اثر به میزان ترشوندگی چسب و نفوذ آن در داخل زبری ها، وابسته می باشد.
سطوح بسیار شگفت آور هستند و به ندرت چیزی هستند که واقعاً به نظر می رسد باشند. اغلب این سطوح حاوی اجزایی هستند که نسبت به حالت بالک، عملکردی متفاوت دارند. برای فلزات و آلیاژها، این سطوح ممکن است شامل اکسید و گازهای جذب شده، باشند. برای بسیاری از مواد غیر فلزی، این سطوح ممکن است مرطوب باشند و یا لایه ای از آلودگی بر روی سطح آنها وجود داشته باشد. این لایه ی خارجی، می تواند به طور محکم با سطح اتصال پیوند بخورد و ممکن است موجب افزایش و یا کاهش استحکام پیوند شود. دو ویژگی سطحی که می تواند به چسبندگی آسیب بزند، در زمانی ایجاد می شود که:
1. طبیعت شیمیایی یک انرژی سطحی پایین ایجاد می کند.
2. سطح یکی از این دو شرایط را داشته باشد.
در این حالت، سطح زیرلایه به گونه ای عمل آوری می شود که انرژی سطحی و یا میزان استحکام لایه ی سطحی، افزایش یابد.
آلودگی بیشتر اثری بر روی چسبندگی ندارد. در حقیقت یک لایه ی تک مولکولی از آلودگی می تواند از ترشوندگی مناسب زیرلایه بوسیله ی چسب و ماده ی آب بندی، جلوگیری کند. چسب ها و مواد آب بندی تلاش خواهند کرد که لایه های سطحی آلودگی را تر کنند نه زیرلایه را. از این رو، بیشتر آلودگی ها (روغن ها، گریس ها، اثرانگشت ها، مواد رهاساز قالب و ...) دارای انرژی سطحی پایینی هستند و از این رو، چسب نه سطح را تر می کند و نه لایه ی آلودگی را.
سطوح خاص همچنین ممکن است بر روی سطح اتصال یافته و یا لایه های پیوندی، اثرگذار باشند. مثال هایی از این لایه های آلودگی خوردگی، جرم، لایه های اکسیدی و ذرات سطحی جدا شده از سطح، می باشند. یک لایه ی مرزی سست از زیرلایه می تواند موجب ایجاد یک اتصال ضعیف و در نتیجه کاهش استحکام پیوند و بروز شکست شود (شکل 1). در یک اتصال پیوند ایده آل، زیرلایه باید ضعیف ترین بخش اتصال باشد. در بیشتر بخش های مونتاژ شده که برای اتصال مناسب می باشند، چسب ها، ضعیف ترین بخش اتصال هستند زیرا نیروهای چسبندگی بزرگتر از نیروهایی هستند که مواد چسب را در کنار هم نگه می دارد. معمولاً استحکام داخلی زیرلایه و چسب و یا سیستم آب بندی به خوبی فهمیده خواهد شد و می توان آن را به درستی کنترل کرد. به هر حال، وقتی ناحیه ی سطحی ضعیف ترین اتصال باشد، این مسئله موجب کاهش استحکام شکست و عدم تطابق در مقادیر شکست می شود. بنابراین، این ضروری است که این ویژگی های سطحی به خوبی فهمیده شود و با یک روش کنترل گردد. ویژگی های عمومی مربوط به سطوح زیرلایه در بخش های بعدی توصیف می شود.
اجزای شیمیایی که بر روی سطح وجود دارند، ممکن است از لحاظ ساختاری و شیمیایی از مواد موجود در حالت بالک، متفاوت باشند. این تفاوت می تواند به دلیل جذب سطحی آلودگی ها در طی فراوری ماده، ایجاد شود. آلودگی ها و اجزای بالک جدا شده از سطح، همواره به صورت هموژن بر روی ناحیه ی سطحی توزیع نشده اند و این عدم توزیع یکنواخت موجب می شود تا اتصال در برخی جاها سست تر باشد. این مسئله نیز منجر به تمرکز تنش می شود. برای مواد پلیمری، ممکن است کریستالینیتی و جهت گیری شیمیایی در سطح متفاوت باشد که این مسئله به دلیل روش فراوری ماده می باشد. همچنین ممکن است غلظت بالاتری از گونه های جذب شونده مانند آب، مواد دو قطبی و یا پلیمرهای اکسید شده در سطح وجود داشته باشد.

سطوح فلزی

سطح فلزات مانند فولاد یا آلیاژهای آلومینیومی، ممکن است شامل برخی نواحی باشند که هیچ مرز مشخصی میان آنها وجود ندارد (شکل 2a). با حرکت از سمت توده ی ماده به سمت بیرون، احتمالا یک ناحیه وجود دارد که هنوز فلزی است اما دارای ترکیب شیمیایی متفاوت نسبت به ناحیه ی بالک، است. این مسئله به دلیل جدایش عناصر آلیاژی و یا ناخالصی اتفاق می افتد. بعد از آن، یک مخلوط از اکسید فلزی وجود دارد که بوسیله ی لایه ی هیدروکسیدی پوشیده شده است و احتمالاً یک لایه ی آب نیز بر روی این سطح جذب شده است. علاوه بر این، یک سری آلودگی ها از اتمسفر جذب می شوند که ممکن است شامل گوگرد، نیتروژن، هالوژن ها و سایر اجزا باشند که در واقع به دلیل فعالیت فلزی و فعالیت آلاینده ها در فرایند تولید ایجاد می شوند. لایه ی آلودگی همچنین به نحوه ی ذخیره سازی و انتقال فلز نیز وابسته می باشد. همچنین فرایندهای اعمال شده بر روی سطح فلز مانند نورد، مواد روان ساز، اجزای مورد استفاده در فرایند کشش و مواد ممانعت کننده ی خوردگی نیز می توانند مسئله ساز باشند. در نهایت، کار مکانیکی فلز نیز احتمالا تا حدی بر روی میزان هموژن بودن مخلوط، اثرگذار می باشند.
در حقیقت، تمام سطوح فلزی دارای هیدروکسیدهای هستند که در شکل 3 نشان داده شده است. حتی موادی مانند فولاد زنگ نزن، نیکل و کروم نیز با یک سری اکسیدهای فلزی شفاف پوشش داده شده اند که تمایل دارند با آب پیوند دهند. بنابراین، چسب یا ماده ی آب بندی مورد استفاده در این مواد باید با لایه ی اتصال دهنده ی آبی تطابق داشته باشد که به سطح لایه ی اکسید فلزی اتصال یافته است. طبیعت لایه ی اکسیدی به بستر فلزی سطح و شرایطی وابسته است که موجب رشد اکسید سطحی می شود. چسب های خاص و یا مواد آب بندی خاص، به صورت مؤثر با لایه های اکسید خاص، برهمکنش می دهند. برای مثال، نفوذ چسب های با ویسکوزیته ی پایین در یک لایه ی اکسیدی متخلخل نسبت به چسب های با ویسکوزیته ی بالا، بیشتر است. وقتی با سطوح چسبندگی فلزی کار می کنیم، می توانیم بفهمیم که طبیعت سطح می تواند به طور قابل توجهی نسبت به نوع فلز، متفاوت باشد. ویژگی های سطحی به نحوه ی فرآوری فلز و عملیات حرارتی آن، وابسته است. این مسئله ممکن است همچنین بوسیله ی فرایندهای ثانویه مانند فرایند ماشین کاری و شکل دهی، تحت تأثیر قرار گیرد. ویژگی های سطحی همچنین به نوع و شرایط فرایند آماده سازی، وابسته می باشد. بری مثال، با استفاده از عملیات های پیش از اتصال برای آلومینیوم، ناخالصی ها در آب شستشو و یا محلول اچ و یا تغییر در دمای عمل اوری، می تواند موجب تغییر طبیعت سطح منتج شده، شود.
نوع و میزان عملیات های سطحی مورد نیاز برای بهینه سازی به فاکتورهای متعددی وابسته است. برخی اوقات این فرایندهای مناسب هستند اگر چه همواره این کارها عملی نیست. به هر حال، برخی زیرلایه ها مانند آلومینیوم، دارای لایه های اکسیدی نازک، دانس و مستحکمی هستند که موجب می شوند از نفوذ و رشد ثانویه ی اکسیدها، جلوگیری شود. لایه های اکسیدی خاص در واقع سطح آلومینیوم را در برابر خوردگی و استحاله های ایجاد شده در طی سرویس دهی، جلوگیری می کند. بنابراین، ضروری نیست که این لایه ی اکسیدی موجود بر سطح آلومینیوم، زدوده شود. به هر حال، سایر لایه های اکسیدی مانند آنهایی که بر روی آلیاژهای مس تشکیل می شوند، سست هستند و باید پیش از اعمال چسب یا ماده ی آب بندی، حدف شوند. بسته به طبیعت کاربرد و نوع زیرلایه، در برخی اوقات، این بهتر است که لایه های اکسیدی ناشناخته را از روی سطح، زدود. انواع تغییرات شیمیایی و عملیات های پیش اتصال برای انجام این وظیفه، توسعه یافته است.

سطوح پلیمری

وضعیت مربوط به زیرلایه های آلی مانند پلاستیک ها و الاستومرها، پیچیده تر از فلزات است. این مواد دارای انرژی سطحی پایین تر و استحکام کششی پایین تری نسبت به فلزات هستند و از این مهم تر، سطوح پلیمری پویایی بیشتری دارند و احتمال تغییر انها نسبت به فلزها بیشتر است. بنابراین، احتمال تغییر سطحی در این مواد بسیار بالاست. همانگونه که در شکل 2b مشاهده می شود، سطوح پلیمری دارای پتانسیل تشکیل وزن های مولکولی پایین، و محصولات اکسیداسیون، پلاستیسایزر، کمک فرایندها، روان سازها و کمک لغزنده ها، آب جذب شده و آلودگی های آلی بیشتری دارند. موارد ذکر شده در بالا می توانند همگی بر روی یک سطح پلیمری یافت شوند. آنها بر روی استحکام پیوند منتج شده، مؤثرند بدون آنکه اثر قابل توجهی بر روی خواص بالک ماده داشته باشند.
اجزای داخل یک ماده ی پلیمری بالک می تواند همچنین به سطح مهاجرت کنند. این متداول است که پلیمرهای با وزن مولکولی پایین و یا الیگومر، پلاستیسایزرها، پیگمنت ها، عوامل جداکننده ی قالب، عوامل کنترل کننده ی شرینکیج و سایر کمک فرایندها و آلودگی های جذب شده بر روی نواحی سطحی شناسایی شود. برخلاف فلزها، سطوح پلاستیکی نواحی دینامیکی هستند و به طور پیوسته با مواد موجود در سطوح پایین و محیط اطراف، در تعامل هستند. در پلاستیک های آمورف و انعطاف پذیر و در دماهای بالاتر از دمای تبدیل شدن به حالت شیشه ای، اجزای با وزن مولکولی پایین قادرند تا از بخش پایینی نفوذ کرده و به سطح برسند، در حالی که عناصر محیط نیز می توانند بر روی سطح اتصال، بچسبند.
یک مثال شناخته شده از این اثر، در واقع مهاجرت پلاستیسایزر از سطح پلی وینیل کلراید انعطاف پذیر می باشد. این پلاستیسایزر می تواند از توده ی ماده به سطح اتصال مهاجرت کرده و سپس به سطح مشترک برسد. اگر چسب یک مانع مؤثر در برابر مهاجرت پلاستیسایزر باشد، این مسئله موجب می شود تا یک لایه ی مرزی ضعیف در سطح مشترک ایجاد شود. اگر چسب یک مانع مؤثر در برابر مهاجرت پلاستیسایزر نباشد، پلاستیسایزر از طریق سطح مشترک مهاجرت کرده و به داخل چسب وارد می شود و از این رو، موجب تغییر در خواص فیزیکی چسب می شود.
طبیعت سطح پلیمری می تواند به سرعت و در پاسخ به عوامل محیطی، تغییر کند. حتی زمانی که ماده ی بالک به حالت شیشه ای در می آید، ناحیه ی سطحی می تواند کاملا متحرک باشد. پلیمرهایی که دارای نواحی قطبی و غیر قطبی هستند، می توانند بخش های زنجیره ای مختلفی ایجاد کند. پاک کردن یک سطح با استفاده از محلول های یونی، موجب می شود تا گروه های قطبی به سمت سطح جهت گیری کنند. در حالی که همین عملیات سطحی یکسان با استفاده از یک حلال غیر قطبی مانند هگزان، می تواند موجب شود تا اجزای غیر قطبی به سمت سطح حرکت کنند. برخورد حرارت بعد از عملیات سطحی می تواند موجب شود تا نمونه های مولکولی جدید و غیر عمل اوری شده، بر روی سطح ایجاد شوند و از این رو، ویژگی های مزیتی عملیات سطحی از بین رود.
به عنوان نتیجه ای از این واکنش های پویا، این سخت است که اطمینان حاصل شود که سطح هر ماده ی پلیمری آن چیزی است که مد نظر ماست. سطح واقعی که ما اتصال را بر روی آن ایجاد می کنیم، می تواند در زمان تشکیل پیوند تغییر کند. این تغییر می تواند همچنین در حین سرویس دهی نیز ایجاد شود. بنابراین، یک لایه ی سطحی ضعیف که در طی فرایند اتصال وجود ندارد، ممکن است در طی عمر مفید اتصال تشکیل شود و بدین صورت موجب تضعیف سطح مشترک شود. اگر چه این فرایندهای پویا همواره موجب تخریب استحکام پیوند و یا یکپارچگی اتصال نمی شود، این فرایندها باید همواره در مراحل اولیه ی طراحی یک اتصال، در نظر گرفته شود. اگر یک چنین برهمکنش های سطحی، ممکن باشد، آنها باید به طور کامل با استفاده از نمونه های آزمایشی از اتصال ها، مورد بررسی قرار گیرند.
منبع:
Handbook of adhesives and sealants/ Edxard M. Petrie