تمرکز تنش

پلی بنزیمیدازول

همانگونه که در شکل 1 بخش دوم این مقاله مشاهده می شود، چسب های پلی بنزوایمیدازول (PBI) بهترین کارایی کوتاه مدت در دماهای بالا را ایجاد می کنند. به هر حال، رزین های PBI به سرعت اکسید می شوند و برای استفاده ی طولانی مدت در دمای 450 فارنهایت، پیشنهاد نمی شود.
چسب های PBI نیازمند عمل آوری در 600 فارنهایت می باشند. رهایش مواد فرار در طی عمل اوری این چسب ها، منجر به ایجاد یک اتصال متخلخل می شود. این چسب ها که به صورت فیلم های بسیار سخت و تقویت شده با الیاف شیشه، به فروش می رسند، بسیار گران قیمت هستند. کاربردهای این چسب ها، محدود به جاهایی است که سیکل عمل اوری دما بالا و طولانی مدت ضروری می باشد و مسئله ی هزینه، برایمان، مهم نباشد.

چسب های بیسمال ایمید

این چسب ها برای برخورد طولانی مدت در دمای 400 فارنهایت، مناسب می باشد. برخورد کوتاه مدت این چسب ها، می تواند تا دمای 450 فارنهایت نیز انجام شود. این چسب ها دارای خواص الکتریکی استثنایی هستند و از این رو، این چسب ها برای پوشش رادارها استفاده می شود. در این کاربرد، فاکتور شفافیت در برابر نور مرئی تا فرکانس های الکتریکی میکروویو مهم می باشد. مشابه اپوکسی ها، تقریباً فرمولاسیون نامحدودی در جسب های بیسمال ایمید، وجود دارد.
چسب های بیسمال ایمید عمل آوری شده با واکنش افزایشی، هیچ ماده ی فراری رادر طی عمل آوری ایجاد نمی کنند. این مسئله موجب می شود تا فرآوری این چسب ساده باشد و هیچ تخلخل در خط پیوند ایجاد نشود. این سیستم ها معمولاً به مدت چند ساعت در دمای 350 فارنهایت، و تحت فشار تماسی نگه داشته می شوند و سپس در دمای 400 تا 450 فارنهایت (با و بدون فشار) عمل آوری می شوند.
حفظ استحکام چسب های بیسمال ایمیدی تا دمای 570 فارنهایت، خوب است اما مقاومت طولانی مدت تنها در دماهایی تا 430 درحه ی فانهایت، مشاهده می شود. سیستم های بیسمال ایمید بسیار صلب هستند و به همین دلیل، خواص پوسته ای شدن آن پایین است.

ترموپلاست های پلی سولفونی

رزین های پلی سولفونی اگر چه موادی ترموپلاست هستند، در بین دماهای 150 تا 375 فارنهایت، متحمل هیچ تغییری در خواص مکانیکی، نمی شوند. همچنین مقاومت به خزش آنها در دماهایی تا 300 فارنهایت، استثنایی است. به دلیل اینکه این مواد ترموپلاست هستند و پایداری حرارتی خوبی دارند، دماهای اتصال دهی بالا برای حصول اتصال های بهینه، ضروری است. رزین های چسب پلی سولفونی ممکن است در دماهایی تا 800 فارنهایت، عمل اوری شوند. این چسب ها، دارای مقاومت خوبی در برابر اسیدها، بازها، مواد روغنی، گریس ها و هیدروکربن های آلیفاتیک، دارند. به هر حال، مقاومت این ماده در برابر هیدروکربن های آروماتیک، کتون ها، استرها و حلال ها، پایین است.
ترشوندگی خوب با زیرلایه ها، برای چسب های سولفونی و ایجاد اتصال بهینه، ضروری است. بالاترین استحکام پیوند وقتی ایجاد می شود که چسب به صورت فیلم آزاد اعمال شود و یا اتصال تحت فشار و دماهایی در حدود 700 فارنهایت، تشکیل شود. یک سیکل پرس به مدت 3 تا 7 دقیقه در فشار 50 تا 100 psi برای تولید ضروری است.
رزین های پلی سولفونی همچنین می توانند از حالت محلول نیز اعمال شوند. برای گرفتن بهترین نتیجه، رزین چسب بر روی هر دو زیرلایه پوشش داده می شوند و پس از خشک شدن در دمای 400 تا 500 فارنهایت، حلال های موجود در آن، خارج سازی می شود. اتصال دهی سپس با آب بندی حرارتی سطوح پوشش داده شده به هم در دمای 400 تا 700 فارنهایت، انجام می شود. استحکام های مربوط به اتصال ها عموماً کمتر از روش هایی است که اتصال با حلال ایجاد می شود.

سیانواکریلات های دما بالا

به طور متداول، چسب های سیانواکریلاتی عمل آوری شده، ترموپلاست هستند و آنها در زمان برخورد با حرارت و تنش، تحت خزش قرار می گیرد. سیانواکریلات ها معمولاً در کاربردهایی استفاده می شوند که نیازمند دماهای سرویس دهی زیر 170 فارنهایت می باشد. به هر حال، چندین نوع از این چسب ها موجود می باشند که توانایی تحمل کوتاه مدت تا دمای 475 فارنهایت را دارا می باشند. سرویس دهی دما بالا، با استفاده از عوامل ایجاد کننده ی پیوند عرضی و استفاده از مونومرهای با مقاومت حرارتی بالا، مقدور می باشد.
مثال هایی از این فرمولاسیون های سیانواکریلاتی دما بالا، عبارتند از 910MHT و 910THT. مورد اول یک چسب با گیرش سریع و ویسکویته ی پایین است و مورد دوم، یک چسب با ویسکوزیته ی متوسط و ضخیم می باشد. مشابه مواد سیانواکریلاتی متداول، این چسب ها به صورت واقعا تمام انواع فلزات و آلیاژها، پلاستیک ها و رابرها را به همدیگر، می چسبانند. استحکام برشی و مقاومت دما بالا این مواد به طور قابل توجهی به نوع چسب و سطح چسبنده، وابسته می باشد. این محصولات دارای استحکام های برشی قابل مقایسه با اپوکسی های گرید پایین می باشند و این استحکام در دمایی تا 400 فارنهایت، چند صد psi است. پیرسازی طولانی مدت برای این مواد پیشنهاد نمی شود. به هر حال، برای عمل آوری، باید این مواد را چند روز در دمای 400 فارنهایت، نگه داریم.
یک کاربرد مناسب برای این چسب های سیانواکریلاتی دما بالا، اتصال دهی گیج های کرنشی به سطوح فلزی می باشد. در این بخش ها، دماهای بالا بر روی قطعه اعمال می شود. اتصال های سیانواکریلاتی به خوبی به زیرلایه ها می چسبند و دارای مقاومت دما بالای خوبی در کوتاه مدت، هستند. معمولاً آزمون انجام شده بر روی این قطعات، تنها نیازمند این است که گیج را به مدت کوتاه مدتی پیش از اعمال دمای بالا، به زیرلایه بچسبانیم.

الاستومرهای خاص

چندین الاستومر خاص برای سرویس دهی در دماهای بالا، توسعه یافته اند. این مواد آب بندی در اصل در صنایع هوافضا استفاده می شوند. به هر حال، این مواد هیچگاه به طور گسترده ای مورد استفاده قرار نگرفته اند که علت این مسئله، هزینه ی بالای آنها می باشد.
مواد آب بندی سیانوسیلیکونی برای اولین شاتل فضایی سنتز شد. این پلیمر، در برابر سوخت های هیدروکربنی گرم مقاوم هستند و دمای عملیاتی آنها بین منفی 60 تا 450 فارنهایت می باشد. مواد آب بندی فلئوروآلکیل آریلن سیلوکسانیلن (SASIL) بوسیله ی آزمایشگاه مواد نیروی هوایی آمریکا و به منظور سرویس دهی در دماهای منفی 65 تا 480 فارنهایت، توسعه یافته اند. این الاستومرها به خوبی به تیتانیم و آلومینیوم می چسبند. یکی دیگر از پلیمرهای حاوی فلئور که در حقیقت به آن، فسفونیتریلیک فلئوروالاستومر (PNF) گفته می شود، برای سرویس دهی در دمای منفی 90 تا 350 فارنهایت، توسعه یافته اند. خواص منحصربفرد مهیا شده بوسیله ی این سیستم ها، عبارند از مدول بالا، مقاومت به خستگی استثنایی و مقاومت به سایش خوب. این محصولات به صورت تجاری به عنوان یک ماده ی آب بندی پیشرفته برای صنعت هوافضا، توسعه یافته اند. رزین های پلی ایمیدی انعطاف پذیر، به عنوان مواد آب بندی مورد استفاده در تانک های سوخت دما بالا، توسعه یافته اند. علاوه بر مقاومت استثنایی این مواد در برابر سوخت جت، این مواد، قابلیت آب بندی بسیاری خوبی در گستره ی دمایی منفی 50 تا 500 فارنهایت، ایجاد کرده اند.

دمای پایین

بسیاری از کاربردهای مربوط به چسب ها و مواد آب بندی نیازمند طول عمر بالا در دماهای پایین می باشد. برای مثالف چسب ها و مواد آب بندی مورد استفاده در اجزای ابررسانا که در حقیقت در ماشین های پیشرفته استفاده می شوند، باید کارایی مکانیکی خود را تا منفی 450 فارنهایت، حفظ کنند.
همچنین کاربردهایی خاصی وجود دارد که نیازمند چسب ها و مواد آب بندی هستند که نه تنها در برابر دماهای پایین مقاومت کنند، بلکه همچنین بتوانند در برابر دماهای بالا نیز مقاومت داشته باشند. ساختارهای مورد استفاده در فضاپیماها، ممکن است در برابر دماهای پایین و بالا قرار گیرند. این مسئله در واقع به میزان و جهت نور خورشیدی وابسته است که بوسیله ی این فضاپیماها دریافت می شود. کاشی ها و وسایل ورود مجدد به جو در این وسایل فضایی نیز دماهای بالا و پایین قابل توجهی را دریافت می کنند.

فاکتورهای مؤثر بر کارایی دما پایین

فاکتورهایی که استحکام یک چسب را در زمان برخورد آن با دماهای مختلف تعیین می کند، عبارتند از:
1. تفاوت در ضریب انبساط حرارتی در دماهای سرویس دهی
2. رسانایی گرمایی چسب
3. مدول الاستیک چسب در دمای سرویس دهی
در دماهای سرویس دهی، تفاوت در انبساط حرارتی بسیار مهم است، مخصوصاٌ به دلیل اینکه مدول الاستیک چسب ها عموماً با کاهش دما، افزایش می یابد. این ضروری است که چسب در صورت عدم تطابق ضریب انبساط حرارتی چسب و زیرلایه ها، بتواند اندکی از ازدیاد طول را تحمل کند. رسانایی گرمایی چسب همچنین فاکتور مهمی در انتقال تنش در طی سرد شدن است. این دلیل این موضوع است که چرا ضخامت های کمتر چسب و ماده ی آب بندی با سطوح رسانایی بالاتر، دارای خواص بهتری نسبت به چسب ها و مواد آب بندی ضخیم تر هستند.
علاوه بر تنش های خارجی، استحکام نهایی پیوند در یک دمای معین، بوسیله ی تنش های داخلی ایجاد شده از شرینکیج، و همچنین تفاوت در ضرایب انبساط حرارتی، تحت تأثیر قرار می گیرند. تنش های باقیمانده که به دلیل انبساط و انقباض دمایی ایجاد می شود، به دلیل تفاوت در ضریب انبساط حرارتی میان چسب و زیرلایه ایجاد می شود و یا می تواند به دلیل توزیع دمایی اتصال نیز ایجاد شود. در واقع در این زمینه، تفاوت در رسانایی گرمایی است که اثرگذار می باشد.
سایر فرصت ها برای ایجاد تمرکز تنش در اتصال پیوند داده شده که در واقع منجر به تضعیف اتصال می شود، نتیجه ای از رهایش فشار اتصال است. این تنش های داخلی در زمانی بزرگ می شوند که چسب و سطح اتصال قادر به تغییر شکل نباشند. در دمای اتاق، یک چسب با مدول پایین ممکن است به سهولت تمرکز تنش را از بین ببرد. در دماهای پایین، مدول الاستیک ممکن است به نقطه ای برسد که در آن، چسب دیگر نمی تواند تنش های متمرکز را رهایش دهد.

چسب ها و مواد آب بندی دما پایین

بیشتر چسب ها و مواد آب بندی با مدول پایین و متداول مانند پلی سولفیدها، اپوکسی های انعطاف پذیر، سیلیکون ها، پلی یوریتان ها و اکریلیک های با تافنس بالا، در دماهای نسبتاً پایین، به اندازه ی کافی انعطاف پذیرند (مثلا دمایی در گستره ی منفی 40 تا منفی 100 فارنهایت). خواص دما پایین چسب های ساختاری متداول که تا دمای منفی 400 فارنهایت استفاده می شوند، در شکل 1 نشان داده شده است.

اپوکسی های اصلاح شده

اپوکسی های اصلاح شده اغلب برای کاربردهای دما پایین استفاده می شوند. در واقع این چسب ها در جاهایی استفاده می شوند که یوریتان ها و سیلکون ها، مناسب نباشند. سیستم های چسب اپوکسی- پلی آمید عمل آوری شده در دمای اتاق می توانند در دماهای پایین نیز مورد استفاده قرار گیرند اگر پرکننده های مناسبی برای کنترل انبساط حرارتی آنها، استفاده شود. به هر حال، سیستم های بر پایه ی اپوکسی، برای کاربردهای دما پایین مناسب نیستند زیرا تا حدی ترد می شوند و استحکام پوسته ای شدن و ضربه آنها نسبتاً پایین است. بر اساس ارزیابی استحکام برشی لبه روی لبه در دمای پایین، فرمولاسیون های اپوکسی به صورت زیر طبقه بندی می شوند: اپوکسی- نایلون، اپوکسی- پلی سولفید، اپوکسی- فنولیک ها، اپوکسی- پلی آمیدها و اپوکسی های عمل آوری شده با آمین ها و انیدریدها.
چسب های اپوکسی- نایلونی در میان این گروه، بیشترین تافنس را دارند و به صورت فیلم خشک مرحله ی B تولید می شوند. چسب های اپوکسی- نایلون، انعطاف پذیری خود را حفظ می کنند و می توانند استحکام برشی 5000 psi را در گستره ی دمای پایین، ایجاد کنند. این مواد مقاومت ضربه ی خوبی ایجاد می کنند و در حقیقت مقاومت به خستگی و ویبراسیون آنها نیز استثنایی است. حتی برخی از این خواص، تا دمای منفی 250 فارنهایت هم حفظ می شوند. محدودیت های چسب های اپوکسی- نایلون، شامل مقاومت به رطوبت پایین و مقاومت در برابر مواد شیمیایی پایینی هستند. در طی عمل آوری، اعمال فشاری تا 20 psi و دمایی تا 350 فارنهایت، مورد نیاز می باشد.
سایر اپوکسی های مفید برای دماهای پایین، عبارتند از: اپوکسی- پلی سولفون، اپوکسی های اصلاح شده با رابر نیتریل بوتادین و فنولیک- اپوکسی ها. چسب های اپوکسی- فنولیکی در این زمینه استثنا هستند و دارای خواص چسبندگی مناسبی در دمای پایین و بالا می باشند.

فنولیک های اصلاح شده

این چسب ها عموماً به صورت فیلم های حمایت شده و بدون حمایت، محلول و یا پودر، تولید می شوند. وینیل استات فنولیک و نیتریل- فنولیک ها، مثال هایی از دو ماده ی فنولیکی اصلاح شده است که در کاربردهای دما پایین، استفاده می شود.
چسب های وینیل استات فنولیکی استحکام برشی و پوسته ای خود را در دماهای پایین حفظ می کنند اما استحکام آنها با کاهش دما، افت می کند. علت این مسئله، تردی اجزای ترموپلاست می باشد. چسب های نیتریل- فنولیکی دارای استحکام بالایی در دماهای سرویس دهی پایین نیستند. علت این مسئله، صلبیت نسبتاً پایین این مواد می باشد. به هر حال، این چسب ها ممکن است استفاده هایی در کاربردهای دما پایین، داشته باشند. علت این مسئله، استحکام پوسته ای شدن بالای آنها در این دما می باشد.

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