جنگ ویتنام و مشکل چسب‌ها

پل یوریتان ها

پلی یوریتان ها دارای بهترین خواص دما پایین در بین تمام چسب های تجاری می باشند. برخی گریدهای پلی یوریتان ها، خواص دما پایین فوق العاده ای دارند. چسب های پلی یوریتانی به سهولت فراوری می شوند و به خوبی به بسیاری از زیرلایه ها اتصال می یابند.
استحکام برشی لبه روی لبه پلی یوریتان ها اتصال یافته به آلومینیم در 77 فارنهایت، برابر 1800 psi است اما این استحکام در دمای منفی 100 فارنهایت، به 4500 psi افزایش می یابد. این استحکام در دمای منفی 423 فارنهایت، به 8000 psi افزایش می یابد. ازدیاد طول چسب های یوریتانی تحت این شرایط، 600 % افزایش می یابد و انعطاف پذیری در دماهای پایین، حفظ می شود. استحکام پوسته ای شدن در دمای اتاق، همچنین در دمای اتاق و دماهای پایین، حفظ می شود. استحکام پوسته ای شدن از 22piw در 75 فارنهایت، به 26 piw در منفی 423 فارنهایت، افزایش می یابد.

سیلیکون ها

چسب ها و مواد آب بندی سیلیکونی خواص استثنایی خود را در یک گستره ی دمایی تا 500 فارنهایت و همچنین در گسترده ی دماهای پایین، حفظ می کند. عموماً رزین های سیلیکونی در جاهایی استفاده می شود که مواد آلی نمی توانند شرایط محیطی را حفظ کنند. در این مکان ها، استفاده از چسب های سیلیکونی مزیت اقتصادی خوبی دارد. این چسب ها و مواد آب بندی می توانند اتصال های قوی را در دمای منفی 40 فارنهایت، ایجاد کنند و حتی در دمای منفی 100 فارنهایت نیز ترد نمی شوند.
اتصال های سیلیکونی استحکام پوسته ای شدن خوبی دارند. استحکام پوسته ای شدن در اتصال دهی رابرها به آلومینیوم از 17 تا 20 piw است. به هر حال، استحکام برشی لبه روی لبه در اتصال دهی فلز به فلز با چسب های سیلیکونی، در گستره ی 250 تا 500 psi است. هم استحکام برشی و هم پوسته ای شدن این مواد با کاهش دما، افزایش می یابد. چسب ها و مواد آب بندی ولکانش یافته در دمای اتاق که به صورت تجاری موجود می باشند، در دماهایی تا منفی 260 فارنهایت، استفاده می شوند.

اکریلیک های اصلاح شده

رزین های اکریلیک ترموست چسب های ساختاری استثنایی هستند که برای فلزات، ترموپلاست ها و ترموست ها در دماهای منفی 40 درجه و در شرایط محیطی خشن، مورد استفاده قرار می گیرند. اکریلیک های ترموست که دارای خواص انعطاف پذیری استثنایی هستند، تا دمای منفی 100 فارنهایت نیز به خوبی کار می کنند. این مواد حتی در دماهای پایین، مقاومت ضربه و مقاومت به پوسته ای شدن خوبی دارند.

چسب های بر پایه ی رابر

چندین چسب و ماده ی آب بندی بر پایه ی رابر وجود دارد که خواص مفیدی در دماهای پایین دارند. در این گروه، بوتیل، نئوپرن و رابرهای پلی سولفیدها وجود دارد. پلی سولفیدها در جاهایی استفاده می شود که استحکام بالا ضروری نباشد. آنها به طور مکرر برای تولید مواد آب بندی استفاده می شود. این مواد مقاومت خوبی در برابر اکسیژن، روغن، حلال و گازها دارند. پلی سولفیدها انعطاف پذیری خود را تا دمای منفی 80 درجه ی فارنهایت، حفظ می کنند.
چسب های دو جزئی نئوپرنی می توانند برای اتصال دهی نئوپرن، هیپالون، یوریتان، پلی وینیل کلرید صلب، و سایر رابرهای مورد استفاده در دماهای پایین، استفاده شود. چسب های نئوپرنی تا دمای منفی 60 فارنهایت مفید می باشند و می توانند برای اتصال دهی زیرلایه های حاوی پارچه، استفاده شوند.
اجزای رابری بوتیلی خاصی نیز دارای انعطاف پذیری خوبی تا دمای منفی 65 درجه ی فارنهایت می باشند. این مواد چسب های بر پایه ی رابری هستند که به عنوان ماده ی آب بندی استفاده می شوند زیرا آنها استحکام پیوستگی ضروی برای چسب ها را ندارند. به هر حال، این چسب ها مواد استثنایی هستند و میزان ازدیاد طول آنها می تواند 300 تا 500 % باشد.

رزین های پلی آروماتیک

چسب های پلی آروماتیک با مقاومت حرارتی مانند پلی ایمیدها و پلی بنزیمیدازول ها، همچنین خواص دما پایین استثنایی دارند. استحکام برشی یک چسب پلی بنزیمیدازول بر روی زیرلایه های فولاد ضد زنگ در دمای منفی 423 فارنهایت، 5690 psi است. چسب های پلی ایمیدی دارای استحکام برشی 4100 psi در دمای منفی 320 فارنهایت می باشند. به طور خاص، پلیمرهای پلی ایمیدی مقاومت خوبی در برابر شوک حرارتی در دماهای پایین دارند. این مسئله به دلیل وجود دمای انتقال به حالت شیشه ای ثانویه در این گستره ی دمایی می باشد.

مواد آب بندی

بیشتر مواد آب بندی متداول مانند پلی سولفیدها، اپوکسی های انعطاف پذیر، سیلیکون ها، پلی یوریتان ها و اکریلیک های با تافنس بالا، نیازمند انعطاف پذیر قابل توجه در دماهای پایین نیستند. این مواد عموماً تا دمای منفی 20 فارنهایت، انعطاف پذیری کافی را دارند. برای کاربردهای هوافضایی، این مواد آب بندی اغلب نیازمند کار در دماهای پایین و بالا هستند. در این کاربردها، مواد آب بندی خاص و دما بالا که قبلا گفته شده است (مانند سیانوسیلیکون ها، فلئوروآلکیل آریلن سیلوکسانیلن، فسفرنیتریلیک فلئوروالاستومرها و پلی ایمیدهای انعطاف پذیر) می توانند مورد استفاده قرار گیرند. به هر حال، هزینه و طبیعت خاص این مواد آب بندی موجب شده است تا از آنها در کاربردهای خاص استفاده شود.

رطوبت و آب

آب ماده ای است که در حقیقت بیشرین مشکلات در زمینه ی پایداری محیطی را در اتصال های چسبی، ایجاد می کند. آب مشکل آفرین است زیرا بسیار قطبی است و در داخل اکثر پلیمرها، نفوذ می کند. سایر مایع های متداول مانند مواد روان ساز و سوخت ها نیز قطبیت پایین تا صفر دارندد و میزان نفوذ آنها در چسب های ترموست اندک است. رطوبت می تواند بر روی اتصال چسبی به سه شیوه ی مختلف، اثرگذار باشد:
• رطوبت می تواند خواص چسب ها و مواد آب بندی بالک را تخریب کند.
• رطوبت می تواند خواص چسب ها را در سطح مشترک، تخریب کنند.
• رطوبت می تواند خواص چسب ها را تخریب کند و موجب تغییر ابعادی در سطوح اتصال خاص شود.

اثر بر روی مواد بالک

تخریب داخلی در داخل چسب ها و مواد آب بندی بالک، در اصل بوسیله ی جذب مولکول های آب در داخل ساختار پلیمر، ایجاد می شود. تمام پلیمرها تا حدی آب جذب می کند. رطوبت می تواند همچنین با خاصیت فتیله ای شدن در طول سطح مشترک چسب و زیرلایه، وارد خط اتصال شود و موجب تضعیف اتصال شوند. رطوبت می تواند خواص ماده ی بالک را با کاهش دمای انتقال به حالت شیشه ای، تغییر دهد و موجب ایجاد ترک ها و یا واکنش های شیمیایی در پلیمر شود. این فرایند پیرولیز نامیده می شود.
خواص آب ورودی در انواع پلیمرها، می تواند بوسیله ی ضریب نفوذپذیری آنها و ثابت نفوذ آب، پیش بینی شود (جدول 1). ضریب نفوذپذیری یک نمونه که در واقع یک سانتیمتر مکعب اندازه دارد و به مدت یک ثانیه در داخل آب قرار گیری، بدست می آید. ضریب نفوذ معیاری است از سهولت ورود مولکول اب به داخل یک پلیمر. اپوکسی ها و فنولیک ها، دارای نرخ نفوذ نسبتاً پایینی هستند و استعداد کمی برای جذب رطوبت نسبت به سایر پلیمرها، دارند. به عنوان یک نتیجه، این مواد اغلب در فرمولاسیون مواد آب بندی و چسب هایی، استفاده می شود که نیاز به ایجاد مقاومت در برابر رطوبت هستند. نفوذ آب در داخل پلیمرها، عموماً موجب کاهش در دمای شیشه ای پلیمر می شود. این مسئله به دلیل کاهش نیروهایی است که بین مولکول ها، وجود دارد. داده های مربوط به چسب های اپوکسی خاص، در جدول 2 آورده شده است. اثر آب جذب شده بر روی خواص مکانیکی چسب های عمل اوری شده در جدول 3 آورده شده است. آب موجب کاهش استحکام کششی و مدول مولکول می شود اما موجب افزایش ازدیاد طول در زمان شکست پلیمر می شود. این خواص عموماً در زمان خشک شدن پلیمر، باز می گردد مگر آنکه هیدرولیز غیر بازگشتی در ماده رخ دهد.
برخی از مواد پلیمری مانند پلی یوریتان های بر پایه ی استر، در زمان برخورد با رطوبت، به صورت شیمیایی واکنش می دهند. در حقیقت بازگشت یا هیدرولیز موجب می شود تا چسب یا ماده ی آب بندی سختی و استحکام خود را از دست دهد و دچار تغییرات غیر قابل بازگشتی در زمان برخورد با حرارت و یا هوای مرطوب شوند. شکل 1 نشاندهنده ی تخریب زنجیره های پلیمری بوسیله ی واکنش هیدرولیز با آب می باشد. نرخ تبدیل و یا ناپایداری هیدرولیتیکی به ساختار شیمیایی چسب پایه، نوع و میزان کاتالیست مورد استفاده و نفوذ پذیری چسب، وابسته می باشد. اتصال های شیمیایی خاص مانند استرها، یوریتان ها، آمیدها و اوره، می توانند هیدرولیز شوند. نرخ حمله برای اتصال های بر پایه ی استر، بیشترین میزان است. اتصال های استری در انواع خاصی از پلی یوریتان ها و اپوکسی های عمل آوری شده با انیدرید، مشاهده می شود. نرخ تبدیل همچنین به میزان کاتالیست مورد استفاده در فرمولاسیون، وابسته می باشد. بهترین خاصیت هیدرولیتیکی در زمانی حاصل می شود که نسبت استوکیومتری مناسبی از مواد پایه و کاتالیست، مورد استفاده قرار گیرد. تبدیل معمولاً در مواد انعطاف پذیر، سریع تر است زیرا نفوذ آب در آنها، آسان تر می باشد.
شکل 2 نشاندهنده ی پایداری هیدرولیتیکی مواد پلیمری مختلف است که بوسیله ی اندازه گیری های سختی بعد از برخورد با رطوبت نسبی بالا، تعیین شده است. این روش برای مقایسه ی ثبات هیدرولیتیکی، روش Gahimer و Nieske نامیده می شود. در یک دوره ی زمانی 30 روزه در دمای 100 درجه ی سانتیگراد، بیان کننده ی یک محیط آب و هوایی مرطوب می باشد. پایداری هیدرولیتیکی اجزای الکترونیکی قرار داده شده در داخل یوریتان به نظر مشکل آفرین نبود تا زمانی که در دهه ی 1960، این مشکل در جنگ ویتنام، ظاهر شد. مکانیزم های واکشن هیدرولیز برای اپوکسی، پلی یوریتان و چسب های سیانواکریلاتی، مشاهده شده است. در مورد مواد آب بندی ساختمانی متداول، مانند پلی سولفیدها، پلی یوریتان ها، اپوکسی ها و اکریلیک ها، مسئله ی حساسیت به رطوبت، مشاهده شده است. هیدرولیز در واقع موجب شکسته شدن پیوندهای مولکول در داخل ماده ی آب بندی می شود. بنابراین، استحکام این بخش ها کاهش یافته و شکست پیوسته در داخل نمونه رخ می دهد. به هر حال، قبل از اینکه این مسئله رخ دهد، ماده ی آب بندی معمولاً متورم می شود و ممکن است منجر به تغییر شکل و یا شکست پیوند شود. این مسئله پیش از کامل شدن هیدرولیز مشاهده می شود. برای مواد آب بندی مورد استفاده در الکترونیک، این مناسب است که از ورود رطوبت به جاهای حساس، جلوگیری شود. پلیمرهای آب گریز برای انجام این وظیفه، توسعه یافته اند. یک چنین پلیمرهایی، رطوبت را دفع می کنند. آنها در حقیقت سیلوکسی ایمیدها، فلئوروسیلیکون ها، فلئورواکریلیک ها، سیلیکون های فنولیکی و سیلااستایرن می باشند.

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