آزمون های چسبندگی (1)

اصول مربوط به چسبندگی

بدون وجود یک چسبندگی مناسب، یک پوشش حتی با داشتن خواص استثنایی (مثلا مقاومت در برابر هوازدگی، مواد شیمیایی، مقاومت در برابر خراش و یا ضربه) بی ارزش است. بنابراین، این ضروری است که به ویژگی چسبندگی یک رنگ در زمان فرموله کردن آن، توجه کنیم. همچنین باید روشی وجود داشته باشد که بتوان استحکام چسبندگی پوشش را افزایش دهیم. علاوه بر این، روشی باید وجود داشته باشد که بوسیله ی آن، بتوان هر شکستگی و ترکی را در میان پوشش و زیرلایه، تشخیص داد.

اجزای موجود در سطح

از لحاظ شیمیایی، یک شباهت قابل توجه میان رنگ ها، از یک جهت و چسب ها از جهت دیگر، وجود دارد (شکل 1). هر دو ماده به صورت پوشش های آلی یافت می شوند. بنابراین، مهم است که در مورد رفتار مواد رنگی، در این مقاله صحبت کنیم. چسبندگی خاصیتی است که در هر دو مورد نیاز است ولی شدت این خاصیت در مواد مختلف متفاوت است.
یک چنین پوششی، در واقع یک ماده ی پلیمری است که حاوی مولکول های با توانایی ایجاد پیوند عرضی می باشد. در واقع علاوه بر پلیمرها، مقدار پیگمنت و پرکننده نیز در این پوشش ها یافت می شود. فلزات، چوب، پلاستیک، کاغذ، چرم، بتن و یا ملات از جمله مواد متداول در تولید پوشش می باشد.
به هر حال، این مهم است که در نظر داشته باشید که این مواد زیرلایه ممکن است یک صلبیت بالاتری نسبت به پوشش داشته باشد. تحت این شرایط، شکست در داخل پوشش ایجاد می شود. این مسئله در صورتی است که چسبندگی در سطح مشترک لایه ی رنگی، نامناسب باشد. در غیر اینصورت، شکست در چسبندگی ایجاد می شود و این مسئله نشاندهنده ی این است که جداسازی تعریف شده ای در میان پوشش و زیرلایه ایجاد می شود.
جوانب انرژی در سطح مشترک و اثرات الاستیسته در داخل پوشش و زیرلایه، در روش های تئوری در نظر گرفته می شود. در واقع با در نظر گرفتن این نیروها، می توان شکست های ایجاد شده در این بخش ها را پیش بینی کرد.
هر دو نوع از تخریب های حاصله از چسبندگی نامناسب، در عمل، در نظر گرفته می شود. وجود چسبندگی موجب می شود تا این فهمیده شود که یک استحکام چسبندگی بهینه وجود دارد. هر بهبودی در این سیستم ها، سپس باید به منظور افزایش استحکام ذاتی مواد مورد استفاده در پوشش دهی، در نظر گرفته شود.

عوامل ایجاد کننده ی شکست

پیوند میان پوشش و زیرلایه می تواند تحت تنش قرار گیرد و بنابراین، ممکن است در نهایت، موجب شکسته شدن پوشش شود. این شکست بواسطه ی چندین فاکتور داخلی اتفاق می افتد. این فاکتورها می تواند به صورت منفرد و یا به صورت ترکیبی عمل کنند (شکل 2). اول از همه، ممکن است تنش های مکانیکی منظمی وجود داشته باشد که نه تنها به توده ی ماده اعمال می شود، بلکه بر پیوند سطح مشترک نیز اعمال می شود. در اینجا، این مفید است که دو نوع متداول از تنش را متمایز کنیم: یکی تنش های کششی و دیگری، تنش های برشی.
علاوه بر این، وقتی پوشش متحمل تغییرات دمایی می شود، برخی اوقات، این تغییرات سریع دمایی، موجب می شود تا تنش های داخلی در پوشش ایجاد شود و بدین وسیله، زیرلایه از پوشش جدا می شود. این پدیده، موجب می شود تا هم عوامل مکانیکی و هم عوامل شیمیایی، به زیرلایه دسترسی پیدا کنند.
البته ممکن است عوامل شیمیایی، با سطح مشترک واکنش داده و موجب شود تا چسبندگی افت کند.
این همواره مفید است که این اثرات را در زمانی در نظر بگیریم که چسبندگی باید اندازه گیری شود زیرا روش انجام آزمون های مربوط به پوشش باید شرایط کاری استفاده کننده را شبیه سازی کند.

اندازه گیری چسبندگی

امکان های مختلفی برای شناسایی نتایج بدست آمده از یک آزمون چسبندگی، وجود دارد. اگر این ضروری باشد که استحکام چسبندگی در سطح مشترک را ارزیابی کنیم، مقدار اندازه گیری شده، در واقع ماکزیمم تنش مکانیکی است که می تواند در سطح مشترک، تحمل شود. این استحکام در واقع استحکام چسبندگی است که بر اساس نیرو بر واحد سطح، تعریف می شود. در واقع این نیرو هم می تواند در حالت کششی و هم در حالت برشی، اندازه گیری شود. در نتیجه، در چندین روش آزمون مورد استفاده نتایج نیز به همان شکل می باشد.
انرژی که باید برای شکسته شدن پیوندهای موجود در سطح مشترک، مورد استفاده قرار گیرد، می تواند یک مقدار مفید باشد. در واقع این انرژی، به صورت کار چسندگی، بیان می شود و به طور رسمی به صورت استحکام چسبندگی بیان می شود. بنابراین، این کمیت به صورت انرژی بر واحد سطح، تعریف می شود و بنابراین، مقداری است که در برخی از آزمون های اندازه گیری مانند آزمون لایه برداری، بدست می آید.

استانداردسازی آزمون های چسبندگی

از آنجایی که یک مشخصه باید برای میزان چسبندگی در هر فرمولاسیون رنگی، تعیین شود، این شگفت آور نیست که روش مورد استفاده برای اندازه گیری متداول چسبندگی، در مهندسی مواد تدوین شده است. این مسئله در واقع برای آزمون برش سطح مقطع، صدق می کند. در واقع متخصصین رنگ در زمانی که می خواهند چسندگی رنگ را تشخیص دهند، از روش سطح مقطع استفاده می کنند. به هر حال، آزمون سطح مقطع امروزه بوسیله ی کششی (pull off methods) جایگزین شده است.

آزمون سطح مقطع

رویه و روش مورد استفاده در این آزمون، بوسیله ی سازمان جهانی استانداردسازی (ISO) تدوین شده است. برای بدست آوردن میزان چسبندگی یک پوشش، یک الگوی شبکه ای بریده می شود و یک فیلم نازک از میان آن عبور داده می شود و به زیرلایه می رسد. انواع ابزارهای برشی مخلتفی برای این هدف، استفاده می شود. این روش ها، مکانیزه یا دستی هستند. یک انتخاب مناسب، در واقع استفاده از ابزار برش چندگانه است که حاوی 6 لبه ی برشی با فاصله ی 1 یا 2 میلی متر می باشد. این ابزار موجب ایجاد یک الگوی برش یکنواخت می شود.
نتایج آزمون با توجه به رویه ی موجود در شکل 3، ارزیابی می شود. طبقه بندی در واقع بر اساس تخمین میزان فلس های رنگی انجام می شود که از زیرلایه جداسازی شده است. اکر در مورد درصد واقعی قسمت های جداسازی شده، شک داشته باشیم، می توان قطعات جداسازی شده را با برس جداسازی کرد و آنها را بوسیله ی یک چسب نواری، حذف کرد.
در واقع این ضروری نیست که همواره بر اساس این مسئله، در مورد میزان چسبندگی در کل 6 مرحله، قضاوت کنیم. ISO پیشنهاد داده است تا یک استاندارد برای آزمون در نظر بگیریم. در این مورد، کلاس صفر، نشاندهنده ی چسبندگی کامل، کلاس 2 و حتی کلاس یک باید به عنوان نتیجه ی مشکوک در نظر گرفته می شود. تمام کلاس های بالاتر، سپس علامت گذاری می شود، اگر چه تمایزهای قابل توجهی وجود دارد، این کار باید به منظور بهبود چسبندگی انجام شود.

روش های کششی

الگوهای تنش نمونه وار در سطح مشترک، که اغلب بوسیله ی صفحات تماسی نرمال یا موازی ایجاد می شوند، به عنوان اساسی برای روش های آزمون مربوطه، استفاده می شود (شکل 4). روش کششی در واقع متداول ترین روش مورد استفاده است و هم اکنون به صورت جهانی، استانداردسازی شده است. برای آماده سازی نمونه ها برای آزمون، پایه ی فولادی با چسب به پوشش متصل می شود و تحت نیروی کششی قرار می گیرد تا زمانی که فیلم رنگی از زیرلایه، جداسازی شود. در نتیجه، استحکام چسبندگی به این روش، اندازه گیری می شود. این استحکام، ماکزیمم تنش کششی است که سطح مشترک تحمل می کند.
به هر حال، اگر یک گشتاور به محور فولادی اعمال شود، فرایند جداسازی پوشش از زیرلایه، نشاندهنده ی تنش برشی ماکزیممی است که سطح مشترک می تواند تحمل کند. این تنش نیز معیاری از میزان چسبندگی می باشد.
این نشان داده شده است که مقدار استحکام چسبندگی بدست آمده از هر دو روش، در واقع در یک محدوده قرار دارد. به هر حال، تمایل بیشتری به استفاده از روش گشتاور وجود دارد.
دقتی که آزمون دارد، و همچنین اصول مکانیکی تعریف شده برای آن، منجر به این ایده می شود تا مقادیر بدست آمده با این روش، بتواند به عنوان ثابتی برای مواد مورد استفاده در اجزای پیوند دهی، در نظر گرفته شود. در عوض، یک اثر اضافی از چند پارامتر، در این وضعیت مشاهده شده است. این پارامترها، عبارتند از دما، سرعت تغییر شکل و حتی اندازه ی پایه ی متصل شده به پوشش.
همچنین از مواد مهم دیگر، صلبیت قطعه ی آزمایش و امکان محکم کردن آن در حین آزمایش می باشد. همانگونه که در شکل 5 مشاهده می شود، برای اعمال شده بر روی زیرلایه های غیر قابل تغییر شکل، استفاده از بست در لبه ی به منظور حمایت از پایه، می تواند راه خوبی برای محکم کردن قطعه ی آزمایش باشد. برای زیرلایه های انعطاف پذیر مانند پلاستیک یا چرم، استفاده از روش ساندویچی، پیشنهاد می شود.
از آنجایی که یک چسب به منظور محکم کردن سطح پوشش به ناحیه ی آزمایش، استفاده می شود، این ضروری است که در مورد نوع چسب مناسب برای این کار، تصمیم گیری کنیم. عموماً چسب های رزین اپوکسی عاری از حلال، که با پلی آمید عمل آوری می شوند، می توانند برای این هدف، استفاده شوند. برای اطمینان حاصل کردن از اعتبار نتایج، اجزای چسب نباید با پوشش واکنش دهد و موجب تورم کامل آنها شود. نفوذ پوشش تنها به لایه ی بالایی پوشش محدود باشد تا از نتایج نادرست، جلوگیری گردد. انواع مختلفی از چسب ها، در بازار تجاری وجود دارد که می توان از آنها در این کاربرد، بهره جست.

رویه های لایه برداری

یک تمایز مشخص میان آزمون های کششی چسبندگی و سایر روش های آزمون چسبندگی (یعنی روش های لایه برداری)، وجود دارد.
در واقع در روش های لایه برداری، نمونه تحت شرایط ایده آل، متحمل نیروهای لایه برداری قرار می گیرد. این نیروها به پیوند میان فیلم رنگی و زیرلایه حمله کرده به نحوی که پوشش در نواحی نواری خاص و یا در یک نقطه، تخریب می شود و بنابراین، فرایند لایه برداری ادامه می یابد. پیشرفت این لایه برداری موجب تشکیل یک بخش جوش مانند یا بلیستر می شود. در عمل، هر دو حالت، مورد استفاده قرار می گیرد. بنابراین، یک روش مناسب می تواند همواره با توجه به نیازهای واقعی، مورد استفاده قرار گیرد.
یک چنین روشی مشابه مدلی است که پوشش در حین کار، با آن روبروست. این روش ها، پیشرفته ترین روش هایی است که برای بررسی عملی چسبندگی، مورد استفاده قرار می گیرد. اما در واقع این روش ها، منجر به ایجاد تنش های ماکزیمم در سطح مشترک، نمی شوند. تنها در شرایط خاصی است که مقادیر تنش موجود از نتایج این آزمون، محاسبه می شود و این مسئله در صورتی ممکن است که تمام فاکتورهای هندسی و دینامیک، معین باشد.
به عنوان نتیجه ای از این آزمون، کار چسبندگی، به طور منظم، تعیین می شود. این مقدار، در هر مورد، برای اهداف مقایسه ای، مفید است. اما کار چسبندگی، همچنین برخی اطلاعات در مورد مکانیزم پیوند ارائه می دهد.

روش برش با چاقو

دو روش خاص برای بررسی میزان چسبندگی وجود دارد و رویه های مورد استفاده برای تضعیف پیوند میان فیلم و زیرلایه، نیز مشابه می باشد (شکل 6). اگر چه این به نظر می رسد که این روش، روشی ساده است. اما در حقیقت فرایند جداسازی، پیچیده است (در مقایسه با روش تنش برشی و روش کششی که در نهایت منجر به جداسازی فیلم می شود). علاوه بر این، یک اثر اهرمی، بخشی از فرایند جداسازی پوشش را بر عهده دارد و شدت این اثر، می تواند بوسیله ی زاویه ای تعیین شود که نیرو با پوشش دارد.
در روش برش با چاقو، اصل حذف فیلم رنگی در واقع به همراه ماشین کاری فلز در چرخ تراشکاری، انجام می شود. یک سیستم خاص از نیروها، در اینجا، مؤثر می باشند. در واقع این مورد با تعیین زاویه ی برخورد چاقو، ضخامت پوشش، اصطکاک بین ابزار برش و پوشش و زیرلایه، مقدار انرژی ذخیره شده در فیلم، اتلاف انرژی ایجاد شده به دلیل تغییر شکل پلاستیک، انرژی شکست اتفاق افتاده در حین تجزیه ی فیلم و سایر اثرات، انجام می شود.
برای بدست آوردن نتایج مناسب، تمام این پارامترها، باید به صورت مناسب کنترل شوند و یا اثر آنها بر روی فرایند تخمین زده شود. به هر حال، در بسیاری موارد، جزئیات مربوط به فرایند جداسازی بیان می شود (شکل 7).
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله : Coating technology handbook/ Arthur A. Tracton