مترجم: حبیب الله علیخانی
منبع:راسخون
 
مقدمه
برخی از چسب ها و مواد آب بندی تنها به برخی از زیرلایه ها می چسبند. این مسئله به دلیل انرژی سطحی پایین زیرلایه ها نسبت به چسب ها می باشد. مثلا اتصال پلی اتیلن با اپوکسی از این مشکل، رنج می برد. در این وضعیت، زیرلایه ممکن است نفوذپذیر باشد و اجازه دهد تا رطوبت و مواد شیمیایی وارد ساختار آن شود. این مسئله موجب تخریب کارایی پیوند می شود. عموماً تلاش هایی به منظور فایق آمدن بر این مشکل، انجام شده است. این کار با تغییر فرمولاسیون چسب و یا اعمال عملیات های سطحی بر روی آنها، انجام می شود. وقتی این روش، کارایی نداشته باشد، استحکام پیوند بیشتر و کارایی بیشتر ممکن است با استفاده از پرایمرها و افزایش دهنده های چسبندگی مورد استفاده قرار می گیرد.
پرایمرها و افزایش دهنده های چسبندگی به شیوه ای مشابه با چسب های بهبود یافته، عمل می کنند. آنها معمولاً یک لایه ی آلی جدید بر روی سطح مشترک ایجاد می کنند (شکل 1). این لایه ی جدید معمولاً دارای چند عملکرد می باشد و به خوبی به زیرلایه و ماده ی آب بندی و یا چسب، متصل می شود. لایه ی جدید، بسیار نازک است به نحوی که موجب بهبود ویژگی یهای چسبندگی سطحی می شود. این لایه ضخامت بالایی ندارد که موجب شود خواص بالک اتصال تحت تأثیر قرار گیرد.
هم پرایمرها و هم افزایش دهنده های چسبندگی، به طور قوی به سطح زیرلایه می چسبند. جذب سطحی ممکن است به نحوی قوی باشد که به جای حالت فیزیکی، حالت پیوند شیمیایی داشته باشد. یک چنین جذب سطحی را جذب شیمیایی (chemisorption) می گویند.
تفاوت اصلی میان پرایمرها و افزایش دهنده های چسبندگی، این است که پرایمرها به صورت مایع به زیرلایه اعمال می شوند. افزایش دهنده های چسبندگی مایع هایی هستند که موجب تشکیل یک لایه ی بسیار نازک بر روی سطح می شود.
معمولاً پیوندهای شیمیایی میان افزایش دهنده ی چسبندگی و سطح زیرلایه ایجاد می شود. این پیوندها قوی تر از پیوند شیمیایی در داخل چسب هستند. این پیوندهای جدید، قوی تر از پیوندهای شیمیایی داخل چسب ها می باشد. این پیوندهای جدید همچین یک ناحیه ی بین سطحی ایجاد می کند که در برابر حملات عوامل محیطی، مقاوم تر است. افزایش دهنده های چسبندگی همچنین "عوامل کوپل شونده" نیز نامیده می شوند.
افزایش دهنده های چسبندگی می توانند به صورت استفاده مستقیم از آنها در داخل فرمولاسیون چسب و یا با اعمال مجزای آنها (مشابه پرایمرها) ، مورد استفاده قرار گیرند. وقتی این مواد به صورت درجا و در داخل فرمولاسیون چسب، استفاده می شوند، افزایش دهنده ی چسبندگی به ناحیه ی سطح مشترک مهاجرت می کنند و خود را به مولکول های چسب و زیرلایه، متصل می کنند. این مسئله پیش از عمل آوری چسب، انجام می شود.
افزایش دهنده ی چسبندگی یا عوامل کوپلینگ همچنین در کاربردهای غیر از چسب و مواد آب بندی نیز استفاده می شوند. آنها موجب می شوند تا آمیزه های پلاستیکی خواص بهبود یافته داشته باشند و هرینه ی کل مربوط به این ترکیبات، کاهش یابد. افزایش دهنده های چسبندگی می توانند به پرکننده های ذره ای اعمال شوند و برای تولید ترکیبات پلاستیکی تقویت شده و الیاف، مورد استفاده قرار گیرند. بنابراین، وقتی در مورد افزایش دهنده های چسبندگی صحبت می کنیم، عبارت زیرلایه به پرکننده هایی نیز اتلاف می شود که برای تقویت، استفاده شده اند.
افزایش دهنده های چسبندگی خاص برای اتصال الیاف شیشه به رزین پلی استر، الیاف کربنی به رزین اپوکسی، ذرات تالک به نایلون و تقویت سیم لاستیک به ترکیبات لاستیکی، استفاده می شوند. در این کاربردها، افزایش دهنده ی چسبندگی تنها موجب بهبود استحکام پیوند و کارایی سطح مشترک نمی شوند بلکه همچنین موجب افزایش خواص فیزیکی ماده ی بالک منتج شده نیز می شود. خواص بالک مانند استحکام کششی و مدول نیز می توانند با این روش، به طور قابل توجهی، بهبود یابد. در حقیقت، تمام الیاف شیشه ای مورد استفاده در کامپوزیت های تقویت شده با الیاف، با سیلان عمل اوری می شوند و مقاومت در برابر تخریب آنها بوسیله ی رطوبت محیطی، با این شیوه، به طور قابل توجهی، بهبود می یابد.
طبقه بندی پرایمرها و افزایش دهنده های چسبندگی، کاری مشکل است. معمولاً این مواد با توجه به ترکیب شیمیایی خود و با اسامی سیالانی، اپوکسی/ آمینی، فنولیکی و پلی اتیلن کلردار شده، طبقه بندی می شوند. انتخاب یک پرایمر و یا افزایش دهنده ی چسبندگی، نسبت به انتخاب چسب ها، سختی کمتری دارد زیرا فروشندگان چسب معمولا بسته های کاملی از پیشنهادات در این زمینه و برای مواد مختلف، برای شما ارائه می دهند. اغلب یک پرایمر از لحاظ شیمیایی مشابه مواد چسبی است. تنها تفاوت، این است که پرایمر دارای ویسکوزیته ی پایین تری است به نحوی که می تواند طح زیرلایه را بپوشاند و به صورت یک پوشش نازک در آید. افزایش دهنده های چسبندگی عموماً یا در فرمولاسیون چسب، وارد می شوند و یا به صورت یک ماده ی جدا و منفرد به همراه چسب یا ماده ی آب بندی، به فروش می رسند.
در این مقاله، ما ابتدا پرایمرها و نحوه ی بهبود خواص بوسیله ی آنها را مورد بررسی قرار دادیم. مثال هایی به عنوان کاربردهای مفید و استفاده های آنها در زیرلایه های مختلف، ارائه شده است. بحث در مورد افزایش دهنده های چسبندگی، بیشتر در مورد کارایی نسبی و کاربردهای آنها می باشد. انواع طبقه بندی های شیمیایی مختلف آنها نیز آورده شده است. چندین مورد از استفاده های متداول از این سیستم ها در چسب ها و مواد آب بندی و تقویت کننده ها نیز در ادامه مورد بررسی قرار خواهد گرفت.
پرایمرها
پرایمرها مایع هایی هستند که ممکن است پیش از استفاده از یک چسب و یا یک ماده ی آب بندی، بر روی سطح، اعمال شوند. دلایل مربوط به استفاده از این مواد، متغیر می باشد. برخی از این دلایل، عبارتند از:
• محافظت از سطح بعد از عملیات سطحی (پرایمر می تواند به منظور افزایش زمان مجاز بین آماده سازی سطحی و ایجاد اتصال، مورد استفاده قرار گیرد).
• تنظیم انرژی آزاد سطحی بوسیله ی ایجاد سطحی که با سهولت بیشتری نسبت به زیرلایه، تر می شود.
• حل ترکیبات آلی به صورت یک لایه ی مرزی ضعیف در سطح مشترک قرار گرفته اند.
• افزایش واکنش شیمیایی میان چسب و زیرلایه.
• جلوگیری از خوردگی زیرلایه در طی طول عمر سرویس دهی.
• ایجاد یک لایه ی بین سطحی برای افزایش خواص فیزیکی اتصال و بهبود استحکام اتصال.
با وجود ویسکوزیته ی پایین نسبت به چسب ها، پرایمرها می توانند نفوذ در حفره های سطحی را افزایش دهند و بدین صورت، پیوند عرضی بهتری برای مواد آب بندی ایجاد می شود. پرایمرها اغلب به عنوان یک پوشش سطحی محافظ، اعمال می شوند. فرایندهای اعمال و ادوات مورد استفاده برای اعمال پرایمرها، مشابه روش هایی است که برای اعمال چسب ها بر روی زیرلایه، استفاده می شود.
اعمال یک پرایمر یک مرحله ی اضافی در فرایند اتصال است و موجب افزایش هزینه ها و ادوات مورد نیاز برای کنترل کیفیت می باشد. بنابراین، پرایمرها باید تنها در زمان ضرورت، مورد استفاده قرار گیرند. در بیشتر مواقع، یک پرایمر زمانی مورد نیاز است که چسب یا ماده ی آب بندی نتواند به طور فوری بعدی از عمل آوری سطحی، اعمال شود و یا زمانی که سطح زیرلایه ضعیف و یا متخلخل باشد. همچنین این پرایمرها در زمانی مورد نیاز است که بخواهیم یک لایه ی محافظتی در برابر رطوبت ایجاد گردد.
کاربردها و استفاده
پرایمرها همواره یک لایه ی آلی جدید بر روی سطح ایجاد می کند و همچنین موجب افزایش دو سطح مشترک می شود. بیشتر پرایمرها، برای چسب های خاص توسعه یافتهه اند و بسیاری نیز برای ترکیبی از چسب / زیرلایه مناسبند.
پرایمرها به سرعت پس از آماده سازی سطحی اعمال می شود و موجب می شود تا یک لایه ی خشک بر روی سطح ایجاد گردد. این معمولا پیشنهاد شده است تا ضخامت پوشش خشک شده، در گستره ی یک دهم میل تا دو میل باشد. این ضروری است که ضخامت پرایمر را کنترل کرد زیرا اگر یک لایه ی پرایمر بسیار ضخیم شود، خواص بالک آن ممکن است، بر خواص لایه ای آن غلبه کند و پرایمر به عنوان ضعیف ترین بخش پوشش عمل کند.
پرایمرها عموماً نیازمند این هستند که عمل آوری شوند و یا با تبخیر حلال از آنها، پیش از اعمال چسب و یا ماده ی آب بندی، پوششی مناسب بر روی سطح ایجاد گردد. پرایمرهای چسبی عموماً در طی اعمال اولیه، به طور کامل عمل آوری نمی شوند. این مواد در دمای اتاق خشک می شوند و برخی اوقات، با افزایش دما به میزان 150 درجه ی فارنهایت، این خشک شدن در زمانی بین 30 تا 60 دقیقه، انجام می شود. این مسئله موجب می شود تا سطحی غیر چسبنده و خشک ایجاد شود که می تواند در برابر آلودگی های سطحی و عیوب فیزیکی ایجاد شده، مقاومت کند. عمل آوری کامل پرایمرها عموماً در طی عمل آوری چسب، ایجاد می شود.
پرایمرها توسعه یافته به منظور محافظت سطحی پیش از ایجاد اتصال، عموماً دارای فرمولاسیون های اختصاصی هستند که بوسیله ی توسعه دهندگان چسب، ابداع شده اند. این مواد عموماً شامل محلول های آبی از چسب های پایه هستند که در داخل حلال آلی قرار گرفته اند. مشابه فرمولاسیون چسب ها، پرایمر ممکن است همچنین شامل عوامل ترکننده، عوامل کنترل کننده ی سیالیت و ترکیبات افزایش دهنده ی تافنس، باشد. اگر پرایمر برای سطح فلزی توسعه یافته باشد، عوامل جلوگیری کننده از خوردگی فلزی مانند کرومات روی و استرانسیم و سایر نمک های معدنی کروماته، ممکن است همچنین به فرمولاسیون پرایمر، اضافه شود.
اعمال پرایمرهای مقاوم در برابر خوردگی کاربردهای عملی در اتصال ساختاری آلومینیوم در صنعت اتومبیل و هوافضا دارد. ترکیب چسب / پرایمر به گونه ای انتخاب می شود که میزان دوام قطعه در طی عمر سرویس دهی، افزایش یابد. عمر مفید بهبود یافته به طور نمونه وار با ایجاد یک سطح مشترک مقاوم در برابر رطوبت و ایجاد یک ناحیه ی سطحی مقاوم در برابر خوردگی و هیدراسیون، افزایش می یابد.
پرایمرها همچنین برای محافظت سطوح عمل آوری شده و عمل آوری نشده، استفاده می شوند. استفاده از یک پرایمر به عنوان عامل محافظت کننده، ممکن ست موجب افزایش هزینه های تولید می شود اما در مقابل، این کار موجب می شود تا استحکام پیوند، افزایش یابد. استفاده از پرایمر، عمووماً موجب افزایش انعطاف پذیری تولید در عملیات های اتصال می شود. عموماً استفاده از پرایمر می تواند به عنوان مرحله ی نهایی از فرایند آماده سازی سطحی، تلقی می شود. پرایمر در زمانی اندک پس از آماده سازی سطحی، اعمال می شود. این زمان، بیش از چند ساعت نمی باشد. کاربرد واقعی این چسب ها پس از اعمال این پرایمرها، ممکن است تا چند ماه نیز برسد.
برای مثال، در مورد فولاد، زمان برخورد سطحی ایمن (SET) که در واقع زمان میان آماده سازی سطحی مکانیکی و اتصال می باشد، تا 8 ساعت نیز می باشد. بسیاری از زیرلایه ها، زمان SET کمتر از این زمان را دارا می باشند. با استفاده از پرایمرهای چسب، SET ممکن است به چند روز افزایش یابد و یا حتی این زمان می تواند تا چند ماه نیز افزایش یابد. این فرایند به ما اجازه می دهد تا سطح چندین قطعه را آماده سازی کرد و سپس پرایمر بر روی آن اعمال نمود. این قطعات می توانند به مدت های نسبتاً طولانی ذخیره سازی گردد. این مسئله همچنین موجب می شود تا فرایند آماده سازی سطحی به طور ایمن انجام شود. پرایمر موجب ایجاد یک لایه ی محافظتی در اتصال شود. در مورد پرایمرها، برنامه ریزی برای انجام عملیات های مربوطه، به نوع آماده سازی سطحی، وابسته نمی باشد.
مشابه سطوح فلزی، پرایمرها ممکن است برای محافظت زیرلایه های غیر فلز نیز مورد استفاده قرار گیرند. بعد از اعمال فرایند آماده سازی سطحی، یک زیرلایه ی با انرژی بالا دارای سطح فعالی است که می تواند به سرعت آلودگی های اتمسفری را جذب کند. این پرایمر از سطح عمل آوری تا زمانی محافظت می کند که چسب یا ماده ی آب بندی، اعمال می شود. پرایمرها، به طور خاص، برای محافظت قطعات پلیمری عمل آوری شده با شعله و یا تخلیه ی کرونا، مناسب می باشد. پرایمرها همچنین مزیت دیگری در مورد زیرلایه های پلیمری دارد. این پرایمرها، موجب نرم شدن سطح می شوند و برخی از رزین های پرایمری نیز به داخل بخش بالک زیرلایه نفوذ می کنند و بدین صورت، موجب افزایش استحکام چسبندگی می شوند.
پرایمرها همچنین مزیت های تولید دیگری در مورد قطعات مونتاژ شده ای دارند که به هم متصل می شوند. طبیعت مونتاژ، ممکن نیست برای استفاده از روش غوطه وری، مناسب باشد. با استفاده از پرایمرها، قطعات منفرد می توانند عمل آوری شده و پس از اعمال پرایمر، قطعات در زمانی مناسب، به هم متصل شوند.
برخی اوقات، پرایمرها می توانند جایگزین عملیات هایی سطحی شوند. دو مثال از این موارد، در مورد زیرلایه های متخلخل و زیرلایه های پلاستیکی خاص می باشد. در مورد زیرلایه های متخلخل و ضعیف مانند چوب، سیمان و یا سنگ متخلخل، این پرایمرها، می توانند به گونه ای فرموله شوند که در سطح نفوذ می کنند و می توانند به سطح زیرلایه متصل شوند و از این رو، یک سطح مستحکم برای اتصال، تشکیل می شود. این سطح مستحکم که بر روی بخش خارجی ایجاد می شود، موجب افزایش انرژی سطحی می شود و چسبندگی را افزایش می دهد. مثال هایی از این موارد در بخش های بعد، مورد بررسی قرار گرفته اند.
پرایمرهای با ویسکوزیته ی پایین همچنین به سهولت می توانند بخش های نامنظم موجود بر روی سطح زیرلایه را پر کرده و جایگزینی برای هوای به دام افتاده در داخل حفرات شوند. این مسئله موجب بهبود ترشوندگی در سیستم چسب، می شود. برای مثال، اگر چسب به صورت ذوبی اعمال می شود، سطح فلزی زبر موجب می شود تا چسب پیش از اینکه شانس ترکردن سطح را پیدا کند، ژله ای و خشک شود. استفاده از پرایمر در این کاربرد، موجب می شود تا چسب به صورت مستقیم بر روی پرایمر متصل شود و در حقیقت به شکاف های موجود در زیرلایه، متصل شوند. این مسئله موجب می شود تا چسبندگی استثنایی ایجاد شود.
چندین دلیل وجود دارد که چرا یک پرایمر در زمانی که اتصال در شرایط سرویس دهی قرار می گیرد، می شکند. متداول ترین عواملی که موجب شکست پرایمر می شود، در جدول 1 آورده شده است. خوشبختانه، بسیاری از این مسائل می توانند به محض اعمال پرایمر، تشخیص داده شوند و پیش از اتصال، این مسئله برطرف گردد.
به طور ایده آل، پرایمرها یک پل برای انتقال تنش میان چسب و سطح زیرلایه هستند. با استفاده از پرایمر مناسب اعمال شده، شکست اتفاق افتاده به صورت پیوسته و در داخل چسب و یا ماده ی آب بندی، ایجاد می شود.
مثال هایی از برخی از پرایمرهای تجاری که برای چسب ها ی ساختمانی اعمال می شوند، در جدول 2 آورده شده است. این مسئله باید تذکر داده شود که این مواد برای چسب ها و مواد آب بندی خاص، فرموله می شوند و در این زمینه، میزان ضخامت بهینه برای هر بخش، ذکر شده است. عمیلات سطحی زیرلایه که در واقع یک پایه برای پرایمر تشکیل می دهد، عموماً فرایندی است که به طور متداول در صنعت چسب و اتصال، مورد استفاده قرار می گیرد.
منبع:
Handbook of adhesives and sealants/ Edxard M. Petrie