اصول مربوط به چسب ها و مواد آب بندی (1)

این مقاله، یک آگاهی در مورد چسب ها و مواد آب بندی ارائه کرده است. در واقع، استفاده از چسب ها و مواد آب بندی، یک راه برای به هم پیوند دادن و افزایش ارزش محصولات نهایی، می باشد. اهمیت و برجستگی این است که چسب ها و مواد آب بندی محصولاتی تجاری هستند. عملکرد چندگانه ای که بوسیله ی چسب ها و مواد آب بندی ایجاد می شود، رویه های حیاتی است که برای حصول نتایج موفقیت آمیز، مورد استفاده قرار می گیرد. مزیت ها و محدودیت های مربوط به استفاده از این مواد، در این مقاله با سایر روش های اتصال دهی، توصیف و مقایسه شده است.
تعاریف اساسی مربوط به عبارت های مورد استفاده در صنعت چسب و مواد آب بندی نیز در این مقاله، بیان شده است. فرایندهای مورد استفاده بوسیله ی تولیدکننده های از چسب ها و مواد آب بندی و همچنین استفاده های نهایی از آنها، توصیف شده است.
در این فصل، خواننده درک خوبی در مورد فرایندهای پیچیده ای بدست می آورد که برای تشکیل این مواد، انجام می شود. این فصل آشکار می سازد که چرا یک روش چند رشته ای، باید برای بررسی این زمینه، مورد استفاده قرار گیرد.
اصول مربوط به چسب ها و مواد آب بندی
اهمیت چسب ها و مواد آب بندی
چسب ها و مواد آب بندی در طبیعت و زندگی روزمره ی ما، حضور دارند. ساختارهای تجاری منظمی برای توسعه، تولید و فروش این محصولات، وجود دارد و این ماده، امروزه در بیشتر صنایع، استفاده می شود. این چسب ها، در صنعت اتومبیل، کفش و حتی در هواپیماها، استفاده می شود. در واقع، برخی از این کاربردها، در صورت توسعه نیافتن صنعت چسب و مواد آب بندی، بوجود نمی آمدند.
اگر فردی میزان ارزش افزوده ی ایجاد شده بوسیله ی مقدار اندکی از چسب را مورد بررسی قرار دهد و میزان این اثر را بررسی کند، نتیجه شگفت آور است. استفاده از چسب ها، حداقل به دوره ی انجیل می رسد. مثال های زیادی از استفاده از چسب ها وجود دارد. البته این سوال مطرح است که چرا ما سعی می کنیم تا استفاده از چسب ها و یا مواد آب بندی در عمل، مهندسی کنیم؟ چرا ما باید سعی و خطا انجام دهیم؟ مثال هایی از فاجعه های قابل توجه در زمینه ی خطا در استفاده از چسب ها، مانند مسائل رخ داده در مورد آب بندی شاتل فضایی چلنجر در سال 1988 و مسائل مشابه، نیز بخشی از تاریخچه چسب ها و مواد آب بندی را زیر سوال برده است. شاید هیچ کدام از گروه های مواد و یا تکنولوژی دیگر، به اندازه ی صنعت چسب و مواد آب بندی، متحمل این مشکلات نشده باشند.
چسب ها و مواد آب بندی طی هزاران سال آزمایش و خطا، تقویت شده اند و پیشرفت کرده اند. این تاریخچه ی طولانی با تأییدیه های علمی ترکیب شده اند و علوم و فرایندهای پیشرفته، توسعه یافته است. در نتیجه، جامعه عموماً به نقطه ای رسیده است که نه تنها موجب بهبود وضعیت ما شده است بلکه همچنین موجب شده است تا این مواد، در زندگی ما، کاربردهای قابل توجهی داشته باشند. مطالعه ی چسب ها و مواد آب بندی و علوم مربوط به استفاده از آنها، هیچگاه تا این هدف مهم نبوده است.
تعاریف
مشابه بسیاری از علومی که در طی زمان، پیشرفت می کنند، علم چسب و مواد آب بندی نیز گسترش یافته است و اصطلاحات خاص این علم، توسعه یافته است. چسب ها و مواد آب بندی، اغلب از مواد مشابهی تولید می شوند و برخی اوقات چسب های مختلف نیز در کاربردهای مشابهی استفاده می شوند. این مواد، با الزامات فرایندی و مکانیزم های شکست، منطبق شده اند و اصول مربوط به نحوه ی عمل آنها، نیز به خوبی مورد بررسی قرار گرفته است. بنابراین، چسب ها و مواد آب بندی، اغلب به همراه هم در نظر گرفته می شوند. به هر حال، بررسی ویژگی ها و آزمون های مختلفی بر روی چسب ها و مواد آب بندی انجام می شود. اغلب این آزمون ها، منطبق بر نوع کارایی انجام می شود. تعاریف ارائه شده در ادامه، می توانند این عملکردهای مختلف را توصیف کند:
چسب: یک ماده با قابلیت نگه داشتن محکم و دائمی دو سطح در کنار همدیگر را چسب می گویند.
مواد آب بندی: یک ماده با قابلیت اتصال به دو سطح و پر کردن فضای بین این دو سطح و ایجاد یک مانع یا پوشش محافظ را ماده ی آب بندی می گویند.
چسب ها و مواد آب بندی اغلب با همدیگر در نظر گرفته می شوند زیرا آنها قابلیت چسبندگی و آب بندی را توأمان دارند. هر دوی این مواد نسبت به محیطی که در آن کار می کنند، مقاوم هستند و خواص آنها به طور قابل توجهی به نحوه ی فرآوری و اعمال آنها، وابسته است. چسب ها و مواد آب بندی همچنین ویژگی های مشترکی دارند. این ویژگی ها، عبارتند از:
• آنها باید در زمان تشکیل پیوند، به صورت مایع اعمال شوند تا بدین صورت، به خوبی جریان پیدا کنند و بتوانند سطح را تر کرده و چسبندگی خوبی ایجاد کنند.
• آنها از طریق چسبندگی، با سطح پیوند می دهند (در واقع نیروهای بین مولکولی بین آنها و سطح موجود، ایجاد می شود).
• آنها باید قابلیت سخت شدن را داشته باشند و در برخی اوقات، بتوانند در طی عمر مفید خود، بار نیز تحمل کنند.
• آنها باید بتوانند بار را در میان اجزایی که دارند، توزیع کنند و این نیرو را انتقال دهند.
• آنها باید حفرات، فضاها و شکاف ها را پر کنند.
• آنها باید با سایر اجزای مجاور کار کنند و یک محصول با دوام ایجاد کنند.
چسب ها به دلیل قدرت نگهداری و پیوند دهندگی، انتخاب می شوند. آنها عموماً موادی هستند که دارای استحکام برشی و کششی بالایی هستند. چسب های ساختاری (Structural Adhesive)، عموماً برای تعریف چسب هایی استفاده می شود که استحکام آنها، برای موفقیت یک سازه، مهم می باشد. این واژه معمولاً توصیف کننده ی چسب هایی است که دارای استحکام برشی بالایی هستند و همچنین مقاومت آنها در برابر محیط نیز خوب است. مثال هایی از چسب های ساختاری، عبارتند از چسب های اپوکسی، اکریلیک ترموست و سیستم های اورتانی. چسب های ساختاری عموماً عمر مفیدی حداقل برابر با عمر مفید محصول دارند.
چسب های غیر ساختاری چسب هایی هستند که استحکام و کارایی آنها، به نسبت کمتر است. آنها عموماً برای ایجاد پیوند موقت و ضعیف بین دو زیرلایه، استفاده می شوند. مثال هایی از چسب های غیر ساختاری، عبارتند از لایه های حساس به فشار، چسب چوب، الاستومرها و مواد آب بندی.
مواد آب بندی عموماً به دلیل قابلیت پر کردن شکاف، و مقاومت در برابر حرکت نسبی نسبت به زیرلایه ها، انتخاب می شود و می تواند حاوی یک ماده ی دیگر نیز باشد. آنها عموماً استحکام کمتری نسبت به چسب ها دارند اما دارای انعطاف پذیری بهتری هستند. مواد آب بندی متداول شامل یوریتان، سیلیکون و سیستم های اکریلیکی می باشد.
عملکرد چسب ها و مواد آب بندی، در اصل به دلیل وجود خاصیت چسبندگی ایجاد می شود. چسبندگی اتصال دو ماده ی مختلف می باشد که از به دلیل وجود نیروهای بین مولکولی میان زیرلایه، ایجاد می شود. این ویژگی از واژه ی پیوستگی (cohesion) متفاوت می باشد. در واقع پیوستگی، تنها درگیر نیروهای چسبندگی بین مولکولی است که در داخل یک ماده وجود دارد. نیروهای بین مولکولی که در پدیده ی چسبندگی و پیوستگی وجود دارد، در اصل نیروهای واندروالسی هستند که در مورد آن، اطلاعات دارید. برای آگاهی یافتن بهتر از تفاوت های میان پیوستگی و چسبندگی، شکل 1 را در نظر بگیرید. شکستگی در اتصال هم می تواند به صورت پدیده ی چسبندگی و هم پیوستگی یا ترکیبی از هر دو، در نظر گرفته شود. شکستن چسبندگی، یک شکستگی در پیوند بین سطحی میان چسب و بخش متصل شده به آن می باشد. شکستگی در پیوستگی در داخل یک ماده مشاهده می شود، چسب یا در داخل خود ماده. شکستگی ایجاد شده در داخل چسب، وقتی ایجاد می شود که شکستگی تنشی در داخل ماده ی چسب ایجاد شود و موجب شود تا لایه ای از چسب، بر روی هر دو سطح ماده ی اطراف، باقی بماند. وقتی بخش های اطراف چسب و اتصالات مربوطه هنوز دست نخورده باشند، در واقع شکستگی منسجم در ماده رخ داده است.
سایر تعاریف مهم ممکن است با در نظر گرفتن شکل 2، قابل فهم شود. در این تصویر، دو زیرلایه با استفاده از یک چسب یا ماده ی آب بندی، به هم متصل شده اند. بعد از ایجاد پیوند، زیرلایه اغلب به عنوان یک ماده ی مجزا، تلقی می شود. نواحی بین چسب و زیرلایه، به عنوان ناحیه ی بین فازی، تلقی می شود. این ناحیه ی بین فازی یک ناحیه ی نازک در نزدیکی نقطه ی تماس چسب و زیرلایه می باشد. ناحیه ی بین فازی دارای ویژگی های فیزیکی و شیمیایی متمایز نسبت به زیرلایه می باشد. طبیعت ناحیه ی بین فازی یک فاکتور تعیین کننده در ویژگی و کیفیت پیوند ایجاد شده، می باشد.
سطح مشترک در واقع یک قسمت از ناحیه ی بین فازی است. این سطح مشترک، صفحه ی تماس بین سطح یک ماده و سطح ماده ی دیگر می باشد. سطح مشترک اغلب برای توصیف انرژی های سطحی، مفید می باشد. سطح مشترک همچنین به لایه ی مرزی نیز معروف می باشد. بین چسب و زیرلایه، چند سطح مشترک می تواند وجود داشته باشد که هر کدام، از جنسی متفاوت است.
برخی اوقات، یک پرایمر، به همراه چسب یا ماده ی آب بندی، مورد استفاده قرار می گیرد. این پرایمر، موجب می شود تا کارایی پیوند و محافظت در برابر سطح تا زمان اعمال چسب یا ماده ی آب بندی، حفظ شود. اتصال، در واقع بخشی از جسم است که بوسیله ی زیرلایه، چسب یا ماده ی آب بندی، پرایمر و ... تشکیل شده است. در شکل 2، این ناحیه مشاهده می شود.
فاکتورهای مهم برای استفاده ی موفقیت آمیز از چسب ها و مواد آب بندی
از پیچیدگی موجود در اتصال که در بالا در مورد آن صحبت شد، این فهمیده می شود که فهم مناسب در مورد استفاده از چسب ها و مواد آب بندی، در صورتی ایجاد می شود که دانشی فراتر از یک دانش ساده در مورد مواد، حاصل شود. کیفیت مربوط به استفاده از این چسب ها و مواد آب بندی، به فاکتورهای بسیاری وابسته است که فهم برخی از آنها، پیچیده و سخت است.
یکی از فاکتورهای اصلی برای موفقیت در ایجاد یک اتصال چسب و زیرلایه، مسئله ی چسبندگی است. فاکتورهای داخلی و خارجی مختلفی بر روی چسبندگی اثرگذار هستند. آگاهی در مورد نحوه ی اثر این فاکتورها بر روی چسبندگی در واقع ضامنی برای ایجاد یک پیوند مناسب و یا یک فرایند آب بندی مناسب می باشد. دانستن فرایند های ایجاد شده، مسئله ی هزینه ها، مسائل محیط زیستی و همچنین مسئله ی ایمنی، از جمله مهم ترین این فاکتورها، می باشد.
هر فردی که تمایل به استفاده از چسب ها و مواد آب بندی دارد، با چند وظیفه ی اصلی مواجه است. این فرد باید مواد مناسبی انتخاب کند و فرایند اعمال مناسبی نیز از بین فرایندهای مختلف، برگزیند. چسب ها و مواد آب بندی باید بر روی سطح زیرلایه جریان پیدا کنند و سپس از یک مایع با قابلیت جریان یافتن، به یک ماده ی صلب تبدیل شود بدون آنکه تنش های داخلی مخرب در اتصال ایجاد گردد. سطح زیرلایه باید به خوبی تمیزکاری شود و بدین صورت، ماکزیمم چسبندگی ایجاد شود. هندسه ی اتصال باید به صورت صحیح و با توجه به ماده ی انتخاب شده، طراحی شود. در این حالت، بارهای مورد اعمالی می تواند تنش های محلی ایجاد کند که موجب ایجاد شکست می شود. همچنین ویژگی های فیزیکی و شیمیایی مربوط به اتصال باید به خوبی فهمیده شود و محیط مورد استفاده نیز باید تعیین شود.
استفاده ی نهایی نه تنها باید مد نظر باشد، بلکه همچنین کارایی محل اتصال بعد از پیوند دهی و آب بندی، نیز باید مد نظر قرار گیرد. کارایی اتصال همچنین باید در طی کارکرد طبیعی و عملی اتصال، مورد بررسی قرار گیرد. تقریباً تمام سیستم های چسب و مواد آب بندی، در طی عمر مفید خود، متحمل تغییر می شوند. این تغییرها، می توانند اثر قابل توجهی بر روی کارایی اتصال داشته باشد.
بدبختانه، زیرلایه ها و مواد مورد استفاده برای ایجاد چسبندگی و یا آب بندی، به دلیل اثرات داخلی ایجاد شده از محیط، متحمل تغییر می شوند. این تغییر می تواند در طی تشکیل اتصال و در طی سرویس دهی، ایجاد شود. نه تنها چسب و مواد آب بندی، متحمل تغییر می شوند، بلکه همچنین ناحیه ی بین فازی می تواند متحمل استحاله شود. این مسائل به صورت همزمان اتفاق می افتد و فرایندهای دینامیکی آن دسته از فرایندهایی هستند که پیش بینی آنها در طی عمر مفید یک اتصال، سخت است. این مشکل است که ترکیب اتصال را در هر نقطه و در هر زمان، به صورت دقیق تشخیص داد. احتمال وقوع این استحاله ها که در واقع به دلیل مواد غیر مناسب مورد استفاده در داخل این اتصال ها و یا تغییر در حالت شکست، ایجاد می شود، قابل توجه می باشد.
در برخی کاربردها، آنها می توانند موجب شکست های فاجعه بار شود.
طبیعت تکنولوژی های مربوط به چسب ها و مواد آب بندی
یک دسته ی چندگانه از اصول و تکنولوژی های ایجاد شده با آزمون ها، برای بررسی این شرایط، ضروری است. این مسئله نیازمند در نظر گرفتن جوانب اساسی مربوطه از یک تعداد از اصول علمی می باشد. شکل 3 نشاندهنده ی اصول آکادمیک مختلفی است که مربوط به چسب ها و مواد آب بندی است. علوم مربوط به اصول اولیه، مکانیزم ها و شیمی، می تواند در برخی نواحی همپوشانی کند و یک سری اصول مربوط به مهندسی سطح، مهندسی پلیمر و طراحی اتصال ها ایجاد می کند. این مواد برای علوم مربوط به چسب، مهم می باشد. همچنین بخش هایی وجود دارد که ارتباط آنها با علوم چسب، بزرگتر است. هر یک از این الزامات خاص، مشارکت زیادی با علم چسب دارند و موجب می شوند تا محصولات صنعتی مختلفی تولید شوند. هم پوشانی منتج شده ی تمام این الزام ها، می تواند به عنوان علمی در نظر گرفته شود که کار آن، تولید و بررسی چسب ها و مواد آب بندی است. در محیط های صنعتی کنونی، معمولا افرادی که مسئول استفاده از چسب ها و یا مواد آب بندی هستند، باید در زمینه ی تمام تکنولوژی های مربوطه، متبحر باشند. این مورد در شکل 3 قابل مشاهده می باشد. این مورد به همراه مسائل طراحی، تولید و مسائل مالی، بخش های مهم مربوط به تولید هر ماده ای می باشد.
مراحل مورد نیاز برای حصول یک پیوند عملی و بهینه از لحاظ اقتصادی و یا ایجاد یک عملکرد آب بندی مناسب، از طریق استفاده از نکاتی قابل حصول می باشد که در این مقاله به آنها پرداخته شده است.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله : Handbook of adhesives and sealants/ Edxard M. Petrie