مترجم: حبیب الله علیخانی
منبع:راسخون
 

خواص چسب ها

ساده ترین مثال از این مسئله که چگونه خواص چسب ها بر روی بازده طراحی اثر گذار است، می تواند در تجزیه و تحلیل توزیع تنش یک اتصال لبه روی لبه و یا یک اتصال پوسته ای، فهمیده شود (شکل3 بخش اول این مقاله). ماکزیمم تنش برشی به ویژگی های رئولوژیکی مربوط به چسب ها، وابسته است. چسب های انعطاف پذیر و با تافنس بالا، دارای تنش ماکزیمم پایینی هستند اما متوسط تنش آنها عموماً بالاتر است. از آنجایی که چسب های با ازدیاد طول بالا، دارای استحکام پایین تری هستند، چسب های دارای ازدیاد طول بالا و استحکام پوسته ای شدن بالا، دارای استحکام پیوستگی پایین تری هستند و بدین صورت، مزیت ازدیاد طول و استحکام پوسته ای شدن بالا، همواره بوسیله ی کاهش در استحکام برشی داخلی آنها، نمود دارد.
مدول چسب ها همواره بر روی توزیع تنش مؤثر است. به هر حال، این رابطه، رابطه ای مستقیم نیست. برای دو چسب با استحکام یکسان و ازدیاد طول مشابه، چسب با مدول بالاتر بار بیشتری تحمل می کند. به هر حال، چسب های با میزان ازدیاد طول بالا که دارای مقاومت به پوسته ای شدن بالایی هستند، تمایل دارند تا مدول و استحکام برشی پایین تری داشته باشند.
حساسیت به انتشار ترک در مورد چسب های ترد، بیشتر است. عمر شکست عموماً در مورد چسب های ترد، کمتر است. اگر تنش های خستگی اعمال شده به عنوان درصدی از میزان تنش نهایی، اندازه گیری شود، پس عمر خستگی اتصال های ساخته شده از چسب های با ازدیاد طول بالا، نسبت به چسب های ترد، بالاتر است. این مسئله به دلیل این است که توزیع تنش یکنواخت تر و قابلیت جذب انرژی بالاتری در مورد چسب های انعطاف پذیرتر، وجود دارد.
اگر توزیع های تنش غیر یکنواخت تری در حالت سرویس دهی، وجود داشته باشد، چسب ها و مواد آب بندی انعطاف پذیر عموماً بهتر از چسب های ترد هستند. این مسئله دلیل این موضوع است که چرا چسب های انعطاف پذیر اغلب برای اتصال سطوح پلاستیک و سطوح الاستومری پیشنهاد می شوند. طبیعت فیزیکی این زیرلایه ها اغلب منجر به ایجاد نیروهای کلیواژ و پوسته ای شونده، در چسب ها می شود و عموماً یک تفاوت قابل توجه در ضرایب انبساط گرمایی، وجود دارد. چسب های ترد موجب می شوند تا اتصال هایی ایجاد شود که در آنها، تمرکز تنش بالایی وجود دارد، در حالی که چسب های انعطاف پذیر، منجر به ایجاد توزیع تنشی یکنواخت می شود.
وقتی در یک کاربرد، مقاومت در برابر دمای بالا و مقاومت در برابر پوسته ای شدن، مورد نیاز است، استفاده کننده از چسب با مسائل مختلفی روبروست. معمولاً پلیمرهای با مقاومت بالاتر در برابر حرارت، همچنین پیوندهای عرضی بهتری ایجاد می کنند و از این رو، ترد ترند. پلیمرهای انعطاف پذیر دارای مقاومت به پوسته ای شدن و مقاومت به ضربه بالاتری هستند و در برابر نیروهای خستگی مقاوم تر است، اما مقاومت به حرارت آنها پایین است. در حقیقت، فرمولاسیون چسب های مدرن که در واقع بر پایه ی رزین های ترموست با مقاومت حرارتی به همراه یک فاز الاستومری گسسته، ایجاد می شوند، مواردی پیچیده تر هستند.
به طور خلاصه باید گفت که یک چسب یا ماده ی آب بندی انعطاف پذیر و با تافنس بالا، نسب به چسب های ترد و سفت، تا زمانی ترجیح داده می شوند که چسب ها دارای استحکام پیوستگی کافی برای آن کاربرد باشند. در مورد این چسب ها، داشتن توزیع تنش یکنواخت ساده تر است. به هر حال، محدودیت هایی در مورد چسب های انعطاف پذیر و با تافنس بالا وجود دارد که باید بر آنها، فایق آییم. این چسب ها، عموماً استحکام پیوستگی پایین تری دارد. از آنجایی که نیروهایی که موجب می شوند تا مولکول های داخلی در کنار هم قرار گیرند، پایین است، قابلیت دمایی و مقاومت محیطی نیز مسئله ساز می باشد. به عنوان یک نتیجه، چسب های انعطاف پذیر و با تافنس بالا، عموماً بر روی زیرلایه هایی مانند پلاستیک ها و الاستومرها، استفاده می شود. در این زیرلایه ها، شرایط سرویس دهی محیطی معمولاً معمولی است و خواص فیزیکی چسب ها، با زیرلایه تطابق دارد. چسب های ترد عموماً برای کاربردهای ساختاری استفاده می شود که در آنها دما بالاست و یا مواد خورده در داخل محیط وجود دارد.

ضخامت چسب ها

مهم ترین جوانب مربوط به ضخامت چسب ها و یا ضخامت خط پیوند، بزرگی و یکنواختی و یا هندسه ی آن است. عموماً تلاش می می شود تا یک لایه ی از چسب ایجاد شود بدون آنکه شانس ایجاد یک سطح بدون چسب، ایجاد شود. در عمل، این مسئله در ضخامت های بین 0.002 تا 0.008 اینچ، ایجاد می شود. استحکام چسب ها، در این گستره، به طور قابل توجهی، تغییر نمی کند. این بهتر است که تلاش کنیم تا یک ضخامت در حدود 0.005 اینچ داشته باشیم. در مورد چسب های ضخیم تر ریسک افزایش غلظت حباب در داخل چسب، وجود دارد. علاوه بر این، تنش ها در مرکز چسب و سطح چسبندگی بزرگتر است زیرا حفظ بارهای محوری در یک خط پیوند ضخیم، مشکل تر است. این مسئله را همچنین باید یادآوری کنیم که چسب ها، عموماً برای عمل آوری در حالت لایه ی نازک، فرموله می شوند.
لایه های ضخیم تر می توانند خواص عمل آوری را تغییر دهند و منجر به ایجاد تنش های داخل فزاینده ای شوند و در این حالت، خواص فیزیکی غیر نوری را تغییر دهند.
زیرلایه ها باید تا حد ممکنه موازی باشند بنابراین، این نیاز است تا ضخامت یکنواختی از چسب، بر روی سطح، وجود داشته باشد. اگر زیرلایه ها موازی نباشند، بار اعمالی با آنها هم راستا نیست و از این رو، تنش های کلیواژ بر روی چسب، اعمال می شود.
چندین روش برای حفظ یک ضخامت مناسب از چسب، ضروری است. این روش ها، عبارتند از:
• تنظیم ویسکوزیته ی چسب
• استفاده از مقدار مناسبی فشار در حین عمل آوری
• استفاده از یک ملاقه و یا یک تکه چوب مناسب بین خط پیوند به نحوی که یک لایه ی یکنواخت از چسب، بر روی سطح، ایجاد شود.

اثر هندسه ی ناحیه ی پیوند

برای یک چسب و سطح چسبندگی معین، استحکام یک اتصال تحت تنش برشی، در اصل به طول و عرض ناحیه ی همپوشانی و ضخامت سطح چسبندگی، وابسته می باشد. استحکام برشی چسب ها به صورت مستقیم به عرض اتصال، وابسته می باشد. استحکام برخی اوقات می تواند بوسیله ی افزایش در عمق همپوشانی، افزایش یابد اما این ارتباط خطی نیست. زیرا انتهای اتصال به هم پیوند خورده، میزان بالاتری از نیرو را نسبت به سطح داخلی، تحمل می کنند و از این رو، مؤثرترین راه برای افزایش استحکام اتصال، افزایش عرض اتصال می باشد.
نمودار بار شکست نسبت به طول همپوشانی برای چسب های ترد و انعطاف پذیر، در شکل 1 آورده شده است. افزایش در طول هم پوشانی موجب می شود تا میزان استحکام اتصال افزایش یابد و به نقطه ای برسد که یک افزایش در طول همپوشانی، دیگر اثری بر روی افزایش بیشتر استحکام نداشته باشد. این نمودار در واقع نتیجه ای از قابلیت چسب های انعطاف پذیر در مقاومت در برابر بارهای غیر یکنواخت (در مقایسه با چسب های ترد) می باشد.
از آنجایی که توزیع تنش در طول ناحیه ی پیوند، یکنواخت نیست و به هندسه ی اتصال، وابسته می باشد، بار شکست یک طراحی نمی تواند برای پیش بینی بر شکست طراحی دیگر، استفاده شود که دارای هندسه ی متفاوت می باشد. نتایج مربوط به یک آزمون خاص تنها مربوط به همان اتصال هاست و به اتصال های دیگر قابلیت تعمیم ندارد. این بدین معناست که نتایج آزمایشگاهی در مورد نمونه های برش لبه روی لبه، نمی تواند به صورت مستقیم برای هندسه های پیچیده استفاده شود.
برای محاسبه ی هندسه های مختلف، نمودارهای نشاندهنده ی نرخ های مربوط به طول هم پوشانی نسبت به طول اتصال (l/t) در مواردی قابل استفاده می باشد. شکل 2 نشاندهنده ی یک مثال از اثر نرخ l/t بر روی پیوند آلومینیوم با استفاده از چسب های نیتریل رابری می باشد. از یک چنین نموداری، مهندس طراح برای تعیین طول هم پوشانی مورد نیاز برای یک ضخامت اتصال خاص، استفاده می کند و استحکام اتصال مورد نظر خود را بدست می آورد.

خواص پیوستگی

خواص مربوط به زیرلایه ای که به هم متصل می شود، یک اثر قابل توجه بر روی توزیع تنش اتصال ایفا می کند. توزیع تنش های غیر یکنواخت در چسب ها، موجب می شود تا جابجایی نسبی انتهای اتصال، به دلیل وجود تنش در چسب ها، ایجاد شود. از آنجایی که چسب ها، باید این جابجایی را تحمل کنند، انعطاف پذیری چسب ها، در این جا، مسئله ی حیاتی است.
سفتی چسب در واقع محصولی از مدول یانگ (E) و ضخامت اتصال (t) می باشد. پس Et هر اتصالی یک فاکتور مهم در توزیع تنش برشی محسوب می شود. وقتی Et بزرگ شود، توزیع تنش برشی یکنواخت تر می شود.
در اتصال های برشی تولید شده از سطوح چسبندگی نازک، یک تمایل به اعوجاج وجود دارد. این اعوجاج در شکل 3 نشان داده شده است. در واقع این اعوجاج موجب ایجاد تنش های کلیواژ در انتهای اتصال می شود و در این حالت، استحکام اتصال ممکن است به طور قابل توجهی تخریب شود. سطوح چسبندگی ضخیم تر صلب ترند و این اعوجاج در این اتصال ها، بیشتر در مورد محدودیت و نازک بودن سطح بین اتصال ها، نمود دارد. شکل 4 نشان دهنده ی یک ارتباط داخلی میان بار شکست، عمق همپوشانی و ضخامت سطوح چسبندگی برای اتصال های فلزی می باشد. وقتی ضخامت سطوح چسبندگی افزایش می یابد، بار شکست برای طول های هم پوشانی ایده آل، افزایش می یابد. برای ضخامت های سطوح اتصال و یا Et ثابت، بار شکست با افزایش طول هو پوشانی افزایش می یابد تا به نقطه ای مشخص برسد. در خارج از فاصله ی هم پوشانی، بار شکست ثابت می ماند. در این ناحیه، کل بار بوسیله ی لبه های بخش هم پوشانی، تحمل می شود. بخش مرکزی ناحیه ی اتصال در این حالت، مشارکتی در ایجاد استحکام ندارد.

اصول طراحی کلی برای اتصال ها

طراح باید اصول زیر را در طراحی اتصال های چسبی و آب بندی، در نظر بگیرد. این اصول، بر اساس هندسه ی طراحی و در ادامه، مورد بررسی قرار می گیرد.
1. تنش را بر روی خط پیوند حفظ کنید تا بدین صورت، تنش مینیمم شود.
2. در جاهایی که ممکن است، طراحی اتصال باید به نحوی انجام شود که بارهای عملیاتی به صورت برشی بر چسب وارد شود.
3. تنش های کلیواژ و پوسته ای کننده، باید مینیمم شود.
4. توزیع تنش تا حد ممکنه باید در کل ناحیه ی اتصال، یکنواخت باشد.
5. استحکام چسب ها به صورت مستقیم با عرض پیوند در ارتباط است. افزایش عرض چسب موجب می شود تا استحکام چسب، افزایش یابد اما افزایش عرض هم پوشانی، همواره موجب افزایش استحکام نمی شود.
6. عموماً چسب های صلب در حالت برشی بهتر عمل می کنند و چسب های انعطاف پذیر، مقاومت خوبی در برابر پوسته ای شدن، دارند.
7. اگر چه یک چسب قوی تر ممکن است یک اتصال قوی تر ایجاد کند، یک چسب با ازدیاد طول بالاتر و استحکام پیوستگی پایین تر، می تواند یک اتصال قوی تر را در کاربردهایی ایجاد کند که در آن ها، یک توزیع غیر یکنواخت از تنش، وجود دارد.
8. سفتی چسب ها و سطوح چسبندگی بر روی استحکام اتصال، مؤثر است. عموماً سطح چسبندگی سفت تر موجب می شود تا توزیع تنش یکنواخت تری در اتصال ایجاد شود و استحکام پیوند بالا رود.
9. میزان Et بالاتر مربوط به سطوح چسبندگی موجب می شود تا میزان تغییر شکل در طی بارگذاری کمتر باشد و میزان استحکام پیوند افزایش یابد.
10. در یک محدوده ی مناسب، ضخامت خط پیوند چسب یک اثر قابل توجه بر روی استحکام اتصال ندارد. ویژگی های مهم تر عبارتند از ضخامت یکنواخت اتصال و عدم وجود حباب در لایه ی چسب.
در ادامه ی این مقاله، کاربردهای عملی این اصول را مورد بررسی قرار می دهیم.

طراحی های متداول برای اتصال های چسبی

اتصال های با پیوند ایده آل، آنهایی هستند که تحت شرایط بارگذاری عملی، در جهتی تحت تنش قرار گیرند که در برابر شکست مقاوم باشند. یک تنش مطلوب، می تواند با استفاده از طراحی مناسب، به صورتی مناسب به اتصال اعمال شود.
برخی از طراحی های مربوط به اتصال ها، ممکن است عملی نباشند و یا هزینه ی ایجاد آنها بالا باشد. همچنین این امکان وجود دارد که هم تراز کردن آنها سخت باشد. مهندس طراح اغلب باید این فاکتورها را بر اساس کارایی بهینه ی چسب، ارزیابی و سبک – سنگین کند. طراحی های متداول اتصال ها، در بخش های بعدی و برای سطوح چسبندگی مسطح و استوانه ای آورده شده است.
اتصال های مربوط به سطوح چسبندگی مسطح
منبع تحقیق :
Handbook of adhesives and sealants/ Edxard M. Petrie