مترجم: حبیب الله علیخانی
منبع:راسخون
 

مقدمه

آزمون های انجام شده بر روی مواد آب بندی و چسب ها، یک مسئله ی پیچیده می باشد زیرا در این آزمون ها، پارامترهای متعددی وجود دارد که می تواند بر روی نتیجه ی آزمون، مؤثر باشد. فعل و انفعال های چسب ها و سطوح چسبندگی، اغلب مبهم است. طراحی اتصال و نوع بارگذاری به طور قابل توجهی بر روی توزیع تنش نهایی مؤثر است. پارامترهایی که بوسیله ی آنها آزمون انجام می شود مانند نرخ کرنش، دما و شرایط محیطی نیز اثر قابل توجهی بر روی نتایج آزمون دارند.
اگر چه آزمون های پیچیده، یکی از مسائل مهم تلقی می شوند، یک فرد نمی تواند به صورت منفرد و بر اساس خواص چسب ها، زیرلایه و طراحی اتصال، خواص استحکامی را پیش بینی کند. برای تعیین استحکام اتصال، باید آزمون انجام شود.
در طی آزمون، فاکتورهای مختلفی که می تواند بر روی استحکام اتصال مؤثر باشد، باید اندازه گیری شوند. برخی اوقات، این سخت است که متغیرهایی جداسازی شود که استحکام اتصال را کنترل می کند اما حداقل در طی آزمون، ما باید وسیله ای بدست آوریم که بتواند تخمین های کمی بزند. آزمون های استاندارد مانند آزمون های ASTM نیز برای مقایسه و تعیین استحکام مواد و فرایندها، مطلوب می باشند. البته بیشتر این استانداردها برای تعیین استحکام اتصال های تولید شده ی خاص، ارزش کمتری دارند. معمولاً آزمون های نمونه ی آزمایشی (prototype tests) باید برای این اتصال ها، طراحی گردد.
در این مقاله، روش آزمون های استاندارد برای چسب ها و مواد آب بندی توصیف شده است. روش های آزمون مشابهت نیز اغلب برای چسب ها و مواد آب بندی مورد استفاده قرار می گیرند زیرا چسبندگی یک فاکتور اصلی در هر دو کاربرد می باشد. این مقاله آزمون های اساسی مورد استفاده برای بررسی خواص چسب ها و مواد آب بندی را مورد بررسی قرار داده است. آزمون هایی که بیشتر بوسیله ی کاربران نهایی استفاده می شوند و همچنین اثر متغیرهای آزمون مانند ضخامت چسب و نرخ کرنش، نیز مورد بررسی قرار خواهد گرفت. در جاهایی که امکان داشته باشد، رابطه ی بین نتایج آزمون مورد استفاده بوسیله ی کاربر نهایی و خواص اساسی مربوط به چسب ها و مواد آب بندی، مورد بررسی قرار خواهد گرفت. این مقاله با نتیجه گیری در مورد روش های به اتمام می رسد که برای تعیین عمر مفید اتصال های چسبی و مواد آب بندی، مورد استفاده قرار می گیرد.
دلایل مربوط به انجام آزمون ها و اصول اساسی
آزمون های چسب ها و مواد آب بندی به دلایل مختلفی انجام می شوند. این آزمون ها به دلایل زیر انجام می شود:
1. انتخاب مواد و یا فرایندها برای چسب ها، سطوح چسبندگی و یا طراحی اتصال
2. ارزیابی کیفیت مواد تولیدی برای اطمینان یافتن از این مسئله که این مواد تغییر شکل ندهند.
3. تأیید اثربخشی فرایند اتصال دهی مانند تمیزکاری سطحی و عمل آوری
4. بررسی پارامترها و یا متغیرهای فرایندی که ممکن است منجر به تفاوت های قابل توجه در کارایی اتصال شوند
دو گروه عمومی از آزمون ها برای چسب ها و مواد آب بندی، وجود دارد:
• آزمون های اساسی مربوط به ارزیابی خواص
• آزمون های مربوط به استفاده کننده ی نهایی
آزمون های مربوط به استفاده کننده ی نهایی مانند آزمون برشی لبه روی لبه و یا آزمون پوسته ای T آزمون هایی هستند که تلاش آنها، شبیه سازی نوع بارگذاری و شرایط سرویس دهی است که در آنها، یک اتصال قرار دارد. این آزمون ها نسبتاً روبه جلو (straight-forward) هستند اما تجربه برای تأیین نوع صحیح نمونه و همچنین انجام صحیح رویه ی آزمون، مورد نیاز می باشد. در واقع در این آزمون باید در مورد قابلیت اطمینان داده های منتج شده اطمینان حاصل شود. در مورد نتایج تفسیر به عمل آید و کاربردهای عملی نتایج، تعیین شود.
اندازه گیری خواص اساسی و یا خواص بالک مانند ویسکوزیته، سختی یا نرخ گیرش، معمولاً ساده تر می باشند و نسبت به آزمون های کاربر نهایی، تجدیدپذیرترند. به هر حال، یک رابطه میان خواص اساسی و نتایج مربوط به آزمون کاربر نهایی سخت است. آزمون های خواص اساسی معمولاً برای ارزیابی استحکام چسب های نهایی و زیرلایه ها، مورد استفاده قرار می گیرند. اغلب آزمون های خواص اساسی بعد از این مسئله انجام می شود که یک شکست و یا رویداد غیر قابل توجیه اتفاق می افتد. هدف این آزمون ها، تعیین این مسئله است که اگر یک تغییر در مواد ورودی ایجاد شود، این تغییر چه اثری بر نتایج نهایی دارد.
ویژگی های یک تعداد از آزمون های استاندارد مربوط به چسب ها و مواد آب بندی بوسیله ی انجمن آزمون و مواد آمریکا (ASTM) و سایر سازمان های تخصصی مانند وزارت خانه ی دفاع و انجمن مهندسین اتومبیل، تعیین شده است. در حال حاضر، استانداردهای ASTM به عنوان یک روش آزمون مرجع، مورد استفاده قرار می گیرد. خواص گزارش داده شده بوسیله ی فروشندگان چسب ها و مواد آب بندی اغلب بر اساس استانداردهای ASTM مربوطه، تدوین می شود.
در اینجا، باید توجه لازم به عمل آید. در واقع داده های مربوط به آزمون استاندارد اغلب برای مقایسه ی استحکام سیستم های اتصال مختلف، کافی می باشد. آنها می توانند برای مقایسه ی اثربخشی چسب های مختلف، آماده سازی های سطحی، روش های عمل آوری و غیره، مورد استفاده قرار گیرد. آنها می توانند همچنین برای تعریف کمی متغیرهای مختلفی مورد استفاده قرار گیرد که در نهایت، در تعیین کارایی یک اتصال، استفاده می شوند. به هر حال، نتایج آزمون استاندارد، قابلیت اطمینان خوبی برای اتصال های واقعی ندارد. عموماً اتصال های واقعی دارای هندسه هایی پیچیده هستند و از این رو، سخت است که بتوان خواص آنها را بر اساس استاندارد تدوین کرد. تحت شرایط عملیاتی خاص و بسته به نوع، فراوانی و شدت تنش های اعمالی به اتصال در حین سرویس دهی، چسب ها و مواد آب بندی ممکن است بهتر و یا بدتر از چیزی عمل کنند که بر طبق آزمون ASTM منتج شده است.
تفاوت های قابل توجه میان نتایج آزمون استاندارد و نتایج بدست آمده از آزمون در شرایط واقعی، به دلیل وجود چندین فاکتور می باشد:
1. طراحی اتصال بندرت مشابه است.
2. حالت و استفاده از بارهای تنشی معمولا متفاوت است و در عمل، پیچیده می باشد.
3. پیرشدن محیطی معمولا در شرایط سرویس دهی، از شدت کمتری برخوردار است. به هر حال، اثرات شرایط سرویس دهی واقعی معمولاً پیچیده تر است. برای مثال، وقتی در شرایط سرویس دهی، اتصال ممکن است به طور آنی تحت تنش های سیکلی و حرارتی قرار گیرد و علاوه بر این عوامل، رطوبت محیطی نیز در این شرایط، وجود داشته باشد.
4. نمونه های آزمون آماده سازی شده در آزمایشگاه، معمولا در شرایط محیطی کنترل شده، آماده سازی می شوند. این کنترل ها مربوط به ادوات، میزان تمیزی و پرسنل می باشد.
5. تعداد نمونه ها به تعداد قطعات واقعی تولیدی وابسته است زیرا تهیه ی نمونه هزینه بر می باشد. حتی در مورد نمونه های آزمایشگاهی، یک فرایند آماری دقیق به سختی حاصل می شود زیرا متغیرهای تولید که بر روی استحکام اثر گذار هستند، متعدد می باشند.
بنابراین، آزمون های با قابلیت اطمینان بیشتر برای اندازه گیری استحکام یک سیستم در شرایط عملیاتی واقعی، مورد استفاده قرار می گیرد. بدبختانه، یک چنین آزمون هایی اغلب هزینه بر و غیر عملی هستند. روش مناسب بعدی، اندازه گیری استحکام اتصال های واقعی تحت شرایط عملیاتی شبیه سازی شده می باشد. در این حالت، تنش ایجاد شده بر روی اتصال تقریبا مشابه شرایط عادی است.
محدودیت ها و مزیت های روش آزمون استاندارد باید پیش از تدوین برنامه ی آزمون، فهمیده شود. استفاده کننده از چسب ها و مواد آب بندی باید هندسه ی آزمایش، رویه و روش انجام را انتخاب کند به گونه ای که بهترین انطباق با شرایط خارجی فراهم آید. برای انجام این کار، نیازمند یادگیری تفاوت های موجود در روش های مختلف انجام آزمون و پارامترهایی هستیم که بر روی داده ها اثرگذار هستند. وقتی مزیت ها و محدودیت های مربوط به آزمون های استاندارد مختلف فهمیده شود، کاربر نهایی ممکن است بر اساس تشخیص خود، یک روش را انتخاب کند.
امروزه این فهمیده شده است که تعداد پارامترهای متعددی وجود دارد که بر روی کارایی اتصال اثرگذار است و بسیاری از این پارامترها، حالت ترکیبی دارند. بنابراین، یک اصل اولیه در مورد تدوین هر برناه ای برای چسب یا ماده ی آب بندی، استانداردسازی و مستندسازی متغیرهای آزمایش می باشد. متخصص فرمولاسیون چسب، فروشنده و استفاده کننده ی نهایی باید از رویه و شرایط تهیه ی نمونه ی یکسانی استفاده کنند. برنامه های آزمونی که در محل های مختلف انجام می شوند، باید به گونه ای انجام شوند که شرایط یکسانی داشته باشند.
آزمون های مربوط به خواص اساسی مواد
آزمون های اساسی می تواند برای ارزیابی استحکام چسب ها و مواد آب بندی، مورد استفاده قرار گیرد. یک چنین آزمون هایی ممکن است برای شناسایی ویژگی های سطح چسبندگی و یا چسب و یا هر ماده ی دیگری مانند پرایمر، حلال و ... مورد استفاده قرار گیرد.
آزمون های اساسی همچنین به عنوان آزمون های خواص بالک نیز نامیده می شوند زیرا این روش ها موجب تعریف خواص مواد در حالت بالک می شود و نه در حالت اتصال چسب یا آب بندی. این آزمون ها شامل آزمون استحکام کشش نهایی و ازدیاد طول، مدول الاستیسیته، سختی، مقاومت در برابر پارگی، مقاومت در برابر سایش، سمیت، خواص الکتریکی و حفظ خاصیت رنگ می باشد. این آسان است که این خواص را برای نمونه های با سطح مقطع ساده، بدست آوریم.
وقتی یک ترکیب از مواد برای ایجاد یک اتصال، مورد استفاده قرار گیرد، مواد مورد آزمایش قرار می گیرند و یک اثر انگشت از خواص اساسی منتج شده، بدست می آید. نمونه های بدست آمده از لات های متوالی و یا مواد مشکوک، می تواند سپس مورد آزمایش قرار گیرد و نتایج می تواند با اثر انگشیت های اصلی، مورد ارزیابی قرار گیرد. یک تفاوت قابل توجه در خواص اساسی اندازه گیری شده، می تواند اطلاعات ارزنده ای را به منظور بررسی های بیشتر بر روی نتایج و تغییرات ایجاد شده، به ما بدهد و بدین صورت، اثرات مختلف بر روی چسبندگی، تعیین شود.
چسب ها و مواد آب بندی
متداول ترین آزمون های بررسی خواص اساسی، اندازه گیری ویسکوزیته، عمر مفید، عمر کاری (ویژگی گیرش در حالت بالک)، نحوی اتصال، نرخ عمل آوری، سختی و میزان مواد جامد می باشد. در غیر اینصورت، شرایط اطراف نمونه ها، حداقل 24 ساعت پیش و در طی انجام آزمون، کنترل می شود. دمای محیط در شرایط آزمایش باید 73.5 فارنهایت باشد و رطوبت نسبی نیز باید در حدود 50 % باشد.

ویسکوزیته

ویسکوزیته به عنوان مقاومت یک مایع در برابر جریان یافتن، تعریف می شود. این ویژگی معمولاً به صورت واحدهای اساسی پوآز یا سانتی پوآز تعریف می شود. واحد سانتی پواز (cps) برخی اوقات گیج کننده است و ممکن است با واحدهای مشابه اشتباه شود. مقایسه های زیر که در مورد مایع های متداول است، ممکن است به یادگیری مقادیر ویسکوزیته ی در واحد سانتی پواز کمک کند.
همچنین یک تعداد از آزمون های اندازه گیری ویسکوزیته وجود دارد که دارای واحدهای خاص خود هستند. این آزمون ها برای صنایع خاصی همچون صنعت رنگ و پوشش، تدوین شده اند. عموماً واحدهای ویسکوزیته ی این روش ها، می توانند به صورت مستقیم به پواز تبدیل شوند.
ویسکوزیته ی چسب ها، شاخصی است از میزان سهولت پمپ شدن و یا اسپری شدن این چسب ها بر روی سطح. این ویسکوزیته اطلاعاتی را آشکار می کند که علاوه بر سهولت پمپ شدن، اطلاعات خوبی در مورد نرخ گیرش مایع و کشش سطحی به ما می دهد. در واقع این ویژگی های بر روی خواص ترشوندگی چسب ها، مؤثر هستند. ویسکوزیته همچنین اطلاعات خوبی در مورد تشکیل و پیشروی فرایند پیرشوندگی و ترکیبات چسب، ارائه می دهد. از طریق اندازه گیری نسبی ویسکوزیته، تغییرات ایجاد شده در دانسیته، پایداری، میزان حلال و وزن مولکولی می تواند مورد ارزیابی قرار گیرد. اندازه گیری ویسکوزیته برای چسب ها و مواد آب بندی که به صورت آزادانه جریان می یابند، معمولاً بر اساس یکی از روش های توصیف شده در استاندارد ASTM D 1084 انجام می شود.
متداول ترین آزمون برای اندازه گیری ویسکوزیته های در گستره ی 50 تا 200000 cps، با استفاده از یک ابزار دارای سوزن چرخنده اندازه گیری می شود (مانند ویسکومتر بروکفیلد). ابزار ساده ی مورد استفاده برای اندازه گیری ویسکوزیته در شکل 1 نشان داده شده است. این ابزار مقاومت مایع موجود بر روی سطح یک سوزن با اندازه ی معین در برابر چرخش را اندازه گیری می کند. این سوزن با سرعتی معین می چرخد. این روش به نسبت ساده و سریع است. از این دستگاه در سطح آزمایشگاه و کارگاه می تواند استفاده کرد.
یکی دیگر از روش های مورد استفاده در تعیین ویسکوزیته ی چسب های مایع، اندازه گیری زمانی است که این چسب ها، از داخل یک کاپ، و از سوراخ تعبیه شده در زیر این کاپ، خارج می شوند. این کاپ ها می توانند 50 میلی لیتر مایع در خود جای دهند و تحت شرایط دما و رطوبت کنترل شده، مایع از سوراخ زیر آن، خارج می شود. کاپ های با اندازه ی حجمی و اندازه ی سوراخ مختلف وجود دارد که می تواند برای اندازه گیری ویسکوزیته های مختلف استفاده شود. این آزمون در صنعت رنگ برای تعیین میزان حلال مورد نیاز برای سیستم های رنگی، استفاده می شود.
ویسکوزیته ی مواد تیکسوتروپ که دارای ویسکوزیته ی وابسته به نرخ برشی می باشند، معمولاً با استفاده از روش توصیف شده در استاندارد ASTM D-2556 اندازه گیری می شود. این ویسکوزیته در نرخ های برشی مختلف و با استفاده از ویسکومتر، اندازه گیری می شود. از داده های بدست آمده، نموداری ترسیم می شود که در آن، ویسکوزیته ی ظاهری برای سرعت های چرخش مختلف و اشکال سوزنی مختلف، نمایش داده می شود. از جمله مواد دارای ویژگی تیکسوتروپ، شامل ژل وازلین و خمیر دندان می باشد.
این مواد، موادی هستند که دارای ویژگی های ویسکوزیته ای بالا هستند و در نرخ های برشی پایین، جریان نمی یابند. به هر حال، وقتی فشار اعمال می شود، ماده به سهولت جاری می شود و ویژگی های یک ماده ی با ویسکوزیته ی پایین را دارد. یک چنین موادی به صورت متداول در صنایع چسب و مواد آب بندی، استفاده می شوند. مواد تیکسوتروپ می توانند از طریق یک نازل پمپ شوند و یا با مقاومت اندکی بر روی سطح اعمال شوند. وقتی این مواد بر روی یک سطح عمودی اعمال می شوند، آنها تحت نیروی وزنشان، جریان نمی یابند. در واقع این مواد به سهولت و پیش از سخت شدن، تنها با اعمال فشار اندکی بر روی سطح گسترش می یابد.
ویسکوزیته ی محصولاتی که قابلیت جریان یافتن ندارند، بوسیله ی آزمون اکستروژن، تعیین می شود. یک نازل Semco 440 و یا یک نازل مشابه می توانند به کارتریج چسب و یا ماده ی آب بندی متصل شوند و این مسئله موجب می شود تا ماده برای انجام تست، آماده باشد. این کارتریج سپس در داخل یک تفنگ آب بندی بادی قرار داه می شود و فشار 90- 95 psi به آن اعمال می شود. وزن موادی که در 10 ثانیه خارج می شود، اندازه گیری می شود و نرخ اکسترود از تفنگ، اندازه گیری می شود. باید مواظب باشیم که در داخل نازل و کارتریج، هوا به دام نیفتد.
منبع تحقیق :
Handbook of adhesives and sealants/ Edxard M. Petrie