اصول مربوط به چسب ها و مواد آب بندی (2)

بازار و کاربردها

تاریخچه

چسب ها و مواد آب بندی، اولین بار، در هزاران سال پیش، مورد استفاده قرار گرفتند. شکارچیان اولیه ممکن است اولین کسانی باشند که برای بهبود وسایل خود، از موم به عنوان واکس، استفاده کردند. برج بابل به کمک استفاده از ملات و قیر ساخته شد. در حجاری های Thebes که مربوط به 1300 سال پیش از میلاد مسیح می باشد، کوزه های چسب زده شده و قطعات چوبی چسب شده، مشاهده می شود. تا چند سال پیش، بیشتر چسب ها و مواد آب بندی، از سبزی جات، حیوان ها و یا مواد معدنی تولید می شدند.
در اوایل دهه ی 1900، چسب های پلیمری مصنوعی، جایگزین بسیاری از محصول های طبیعی شد که علت این مسئله، قدرت چسبندگی بالاتر، تنوع فرمولاسیون و مقاومت فوق العاده ی این چسب ها، در برابر محیط های کاری بود. به هر حال، مواد غیر پلیمری هنوز هم به صورت گسترده ای مورد استفاده قرار می گرفتند و امروزه، بیشتر حجم مواد پلیمری را به خود اختصاص داده اند. کاربردهای متداول برای این مواد غیر پلیمری، شامل ایجاد پیوند بین زیرلایه های متخلخل مانند چوب یا کاغذ می باشد. چسب های پنیری (Casein adhesive) که یک محصول فرعی شیر محسوب می شود، و چسب های سدیم سیلیکاتی محلول که یک ماده ی سرامیکی غیر آلی است، به صورت متداول در صنایع بسته بندی مقوا، استفاده می شوند. مواد قیری و آسفالتی نیز قرن هاست که به عنوان مواد آب بندی مورد استفاده قرار می گیرد.
توسعه ی چسب های پلیمری و مواد آب بندی مدرن با توسعه ی تکنولوژی پلیمر همراه است و به دهه ی 1900 بر می گردد. در حقیقت، صنعت رزین های پلیمری و انعطاف پذیر، پیوند نزدیکی با صنایع چسب و مواد آب بندی دارد. جدول 1 توسعه های صنعتی ایجاد شده در محصولات چسبی و آب بندی را نمایش می دهد. عصر چسب ها و مواد آب بندی مدرن به سال 1910 باز می گردد. این عصر با تولید چسب های فنول فرمالدهیدی برای صنعت تخته سه لا، آغاز شد. چسب ها و مواد آب بندی، بازارهای بزرگی را در صنعت ساخت و ساز پیدا کرده اند که در واقع بیشتر این پیشرفت ها، در آمریکا بوجود آمده است. رشد قابل توجه سپس در دهه ی 1940 و 1950 رخ داد. در این دوره، چسب ها و مواد آب بندی ساختاری برای صنعت هواپیماسازی نظامی، تولید شد. به دلیل نسبت استحکام به وزن بالایی این چسب ها، توسعه ی چسب ها و مواد آب بندی مدرن با توسعه ی صنعت هواپیماسازی و هوافضا، هم زمان بوده است. دوام اتصال های چسبی، یک مسئله ی مهم در عمر هواپیماها بوده است تا اینکه، سیستم های چسبی مدرن، توسعه یافت. این مسئله در اواخر دهه ی 1970 مشاهده شده است.
با ایجاد تجربه ی موفق این محصولات در صنعت هوافضا و هواپیماسازی، به زودی این تشخیص داده شد که چسب ها، می توانند با جایگزین شدن با اتصالات مکانیکی مانند جوشکاری، لحیم کاری و پرچ، صرفه جویی اقتصادیی خوبی ایجاد کند. این همچنین تشخیص داده شده است که مواد آب بندی می توانند برای ایجاد عملکردهای مضاعف و ارزش در صنایع مختلفی مانند حمل و نقل و ساختمان سازی، استفاده شود.
حتی متخصصین پزشکی نیز روی به استفاده از چسب ها و مواد آب بندی در کارهای روزمره ی خود، آورده اند. یک چسب سیانواکریلات، برای بستن زخم ها و جراحت ها نیز استفاده می شود. این چسب موجب افزایش راحتی بیمار و کاهش اثر جای زخم می شود. چسب ها و مواد آب بندی با قابلیت عمل آوری بوسیله ی نور معمولی یا فرابنفش به طور متداول در دندانپزشکی، استفاده می شوند.
علم چسب ها، امروزه به خوبی مورد مقبولیت قرار گرفته است و اصول اساسی و روش های اصلی برای حصول یک اتصال با کارایی بالا، تدوین شده است. این صنعت اساس مستحکمی برای فرموله کردن و بررسی فرایندهای مربوطه، ارائه کرده است. امروزه، بسیاری از توسعه های ایجاد شده در زمینه ی چسب ها و مواد آب بندی جدید، بر روی سیکل زمانی تولید و هزینه ها، مسائل محیط زیستی و یا کاربرد برای زیرلایه های جدید مانند پلاستیک های جدید، کامپوزیت های پیشرفته و مواد سرامیکی، تمرکز دارند.
تلاش های توسعه ای انجام شده در زمینه ی چسب ها و مواد آب بندی، در جهت بهینه سازی فرایندهای مونتاژ و تولید، جهت دهی شده است. برای مثال، موتورهای اتوماتیک، مخلوط کن ها و ادوات مربوطه، موجب می شوند تا زمان تولید در عملیات های تولید با حجم بالا، کاهش یابد. امروزه، چسب ها و مواد آب بندی، اغلب با استفاده از ادوات روباتیک، اعمال می شوند تا بدین شکل، میزان بهره وری، افزایش یابد. چسب های با قابل عمل آوری با نور فرابنفش، به گونه ای اصلاح شده اند که استفاده از آنها ساده باشد، نیاز به فرایند مخلوط کردن و حرارت دهی از بین رود و همچنین حلال های آبی موجود در آن، حذف شود. ادوات مورد استفاده در جوشکاری گرمایی سریع نیز در صنعت حمل و نقل و سایر صنایع، کاربرد پیدا کرده است. خشک کردن چسب های پایه آب با استفاده از میکروویو، و سیستم های ذوب گرمایی جدید، نیز موجب شده است تا پیوند دهی، به صورت سریع انجام شود.

بازار کنونی

چسب ها و مواد آب بندی در صنایع مختلفی از جمله: صنعت ساختمان، بسته بندی، مبلمان، اتومبیل، تولید دستگاه های مختلف، پارچه، ساخت هواپیما و بسیاری از صنایع دیگر، استفاده می شوند. یک تعداد زیاد از تولیدکنندگان وجود دارند که محصولات مختلفی را به خریداران نهایی، می فروشند. اگر چه تعداد شرکت های تولیدکننده ی چسب ها و مواد آب بندی، به دلایل ادغام های صنعتی، به تدریج کاهش یافته است، بیش از 1500 شرکت در آمریکا وجود دارد که انواع مختلفی از چسب ها و مواد آب بندی تولید می کنند. بسیاری از این شرکت ها، محصولاتی را برای استفاده های داخلی خودشان تولید می کنند. یک مطالعه، نشان داده است که 7 ناحیه ی بازار مختلف و 59 بخش بازاری اصلی، برای استفاده از این محصولات، وجود دارد (شکل 3 بخش اول این مقاله). به هر حال، علاوه بر این کاربردها، کاربردهای مختلف دیگری وجود دارد که در انها، چسب ها نسبت به سایر روش های اتصال دهی، ترجیح داده می شوند.
بازار کل آمریکا در مورد محصولات چسب و مواد آب بندی، در حدود 10 میلیارد دلار، تخمین زده می شود. شکل 1a نشاندهنده ی محصولات چسبی و آب بندی در سال 1995 می باشد. بیشتر استفاده ها، در مورد نواحی غیر سمی مانند مونتاژهای صنعتی با اهداف عمومی، ذوب حرارتی و بایندرها، می باشد. محصولات خاص تر بخش کوچکی از این بازارکل را به خود اختصاص داده اند. شکل 1b نشاندهنده ی بازارهای پیش گام در زمینه ی استفاده از چسب ها و مواد آب بندی می باشد. بزرگترین بازارها در این زمینه، مونتاژ صنعتی، بسته بندی و محصولات تخته سه لایی می باشد. صنعت چسب آمریکا، به سختی به صورت کمی قابل برآورد می باشد که علت این مسئله، گستردگی بخش های استفاده می باشد. آمریکای شمالی، بزرگترین بازار برای چسب ها می باشد و این تخمین زده می شود که سهم این بخش، 38 % از درآمد کل جهان، می باشد. صنعت بسته بندی و ساختمانی، با هم در حدود 80 % از کل تقاضا برای چسب ها را تشکیل می دهند. بازارهای مربوط به صنعت ساختمان، به خاطر استفاده از چسب های فنولی و آمینو، پیشگام می باشد. این نوع از چسب ها، برای اتصال صفحات چوبی، استفاده می شود. چسب های غیر ساختاری بزرگترین حجم این بازار را به خود اختصاص می دهد. کارتن مقوایی، بزرگترین بخشی است که در صنعت بسته بندی، از چسب، استفاده می کند. بازارهای اصلی برای چسب های ساختاری، بخش حمل و نقل، صنعت مونتاژ صنعتی و صنعت ساختمان سازی می باشد. به هر حال، چسب های ساختاری، بخش کوچکی از کل بازار چسب را به خود اختصاص داده اند. بازار مربوط به استفاده های خانگی، نیز بزرگ است. در این کاربرد، عمدتاً از چسب های پلی وینیل استات (چسب چوب)، سیانوالکریلات (super glue)، اپوکسی های دو جزئی و چسب های اکریلیک اصلاح شده، استفاده می شود.
بخش های اصلی بازار مواد آب بندی، صنعت ساختمان، محصولات مصرفی، حمل و نقل، کاربردهای هوافضا و صنعتی و بخش الکترونیک می باشد. بازار پیشگام در این زمینه، صنعت ساخت و ساز، حمل و نقل و استفاده های صنعتی می باشد. نوع مواد آب بندی مورد استفادهل، در هر یک از این بازارها، در جدول 3 آورده شده است. مواد آب بندی مصنوعی، در حدود 70 % از کل این بازار را به خود اختصاص داده است. مواد آب بندی مصنوعی متداول، عبارتند از پلی یوریتان ها و سیلیکون ها.

رویه های بازار و مشوق های مربوطه

نرخ رشد ترکیبی سالانه (CAGR) چسب ها از سال 1996 تا 2003، در حدود 5.3 % بوده است. این فاکتور برای مواد آب بندی، در حدود 4.5 % بوده است. به هر حال، محصولات خاصی دارای رشدی چند برابر رشد متوسط، دارند. بازارهای مربوط به چسب ها و مواد آب بندی با کیفیت بالا، مانند اپوکسی ها، سیلیکون ها و پلی یوریتان ها، سریع تر از بازار مربوط به محصول های دیگر، رشد کرده است. دلایل مربوط به این رشد سریع، عبارتند از:
• میزان آلایندگی کمتر
• استفاده های جدید (مثلا وسایل الکترونیک خانگی و محصولات ورزشی)
• استانداردهای کارایی بالاتر
• مواد جدید (مثلا استفاده از قطعات فلزهای غیر آهنی مانند آلومینیوم، کامپوزیت و مواد مهندسی بر روی بدنه های ماشین)
تقاضا برای چسب ها در آمریکا، پیش بینی می کند که در سال 2001، میزان تولید این محصولات، 14 میلیون پوند می شود. این میزان از تولید ارزشی برابر با 9 میلیارد دلار را دارا می باشد. یک شیفت پیوسته از محصولات بر پایه ی محصولات طبیعی به سمت چسب های مصنوعی فرموله شده، ایجاد شده است. تمرکز اصلی بر روی توسعه ی محصولات چسبی است که دارای مقادیر حلال کمتر هستند و میزان انتشار مواد آلی فرار از آنها، حداقل است. این روند منجر به ایجاد سیستم های چسب جدیدی خواهد شد که دوست دار محیط زیست هستند و دارای میزان مواد جامد بالاتری هستند. این محصولات می توانند بر پایه ی آب و یا به صورت محصولاتی باشد که با حرارت دهی، ذوب می شوند. چسب های طبیعی نتوانسته است خود را با رشد ایجاد شده در زمینه ی تقاضا برای چسب های مختلف، تطبیق دهد. تقاضای آمریکا برای محصولات آب بندی، در سال 1998 در حدود 2.1 میلیون پوند بوده است که این میزان ارزشی برابر با 2.4 میلیارد را داشته است. مواد آب بندی مصنوعی غالب هستند و سهم خود را در بازار مواد آب بندی، توسعه داده اند. علت این بسط و توسعه، کارایی فوق العاده ی آنها نسبت به مواد آب بندی طبیعی می باشد. پلی یوریتان، سیلیکون ها و اکریلیک ها، نسبت به سایر مواد، پیشرو هستند و توانسته است سهم بازار رابرهای بوتیلی و پلی سولفیدها را بگیرند. نرخ رشد کلی مواد آب بندی، بوسیله ی اقتصادی جهانی تعیین می شود، مخصوصاً در صنایع ساختمان سازی و حمل و نقل. بازار ساختمان سازی رشد قابل توجهی داشته است. این رشد به بهبود مخارج ساخت و ساز مسکونی، رشد اقتصادی پایدار و زیرساختهای فرسوده، وابسته می باشد. بازار ادوات حمل و نقل، نیز رشد قابل توجهی داشته است که این رشد به دلیل تولید روزافزون وسایل با بازده بالا و ماشین های با آلودگی صوتی پایین، می باشد. مانند بازارهای چسب، مواد آب بندی صنعتی به کاربردها و صنایع مختلف، وابسته است.

صنعت چسب و مواد آب بندی

صنایعی که اثر بیشتری از صنعت چسب و مواد آب بندی، می گیرند، شامل 4 گروه مختلف می شوند:
1. تولید کننده های مواد پایه مانند رزین، فیلرهای معدنی و توسعه دهنده ها.
2. فرموله کننده ها که افرادی هستند که مواد پایه را با مواد دیگر ترکیب کرده و سیستم های چسب و مواد آب بندی را برای کارایی های مختلف، تولید می کنند.
3. استفاده کننده های نهایی که وظیفه ی آنها، تولید چسب ها و مواد آب بندی و محصولات مونتاژ شونده، می باشند.
4. صنایع مربوطه مانند تولیدکننده های ابزارها، آزمایشگاه های تست، مشاورین و ... .
تولیدکننده های مواد معمولاً شرکت های شیمیایی و تهیه ی مواد بزرگی هستند که مواد مختلفی را تولید می کنند. وقتی تقاضا تضمین شده باشد، آنها مواد را برای فروله کننده های خاص، تولید می کنند.
فرموله کننده ها، نیز شرکت های تجاری بسیار کوچکند که دارای چند کارمند بیشتر نیستند و سهم بازار اندکی را دارند. این شرکت ها، با شرکت های بزرگ مشارکت می کنند. البته شرکت های فرموله کننده ی بزرگی نیز وجود دارند که در این زمینه، فعال می باشند. هم شرکت های بزرگ و هم کوچک شاغل در بخش فرموله، تمایل دارند تا فرمولاسیونی را بدست آورند که به اعتقاد آنها، بهبود یافته می باشد و بوسیله ی آن، بازده تولید و یا برخی ویژگی ها دیگر، افزایش یابد. به هر حال، یک حجم مینیمم معمولا پیش از این مورد نیاز می باشد که فرموله کننده، یک فرمولاسیون استاندارد و یا یک محصول جدید توسعه بدهد. فرموله کننده ها، دانش قابل توجهی در زمینه ی سیستم های مختلف چسب و مواد آب بندی دارند و می دانند که چگونه این دانش را به عمل تبدیل کنند.
استفاده کننده های نهایی معمولاً چسب مورد نیاز خود را از یک فرموله کننده، خریداری می کنند نه یک تولید کننده. این مسئله برای استفاده کننده های نهایی مهم است که با تغییرات فنی ایجاد شده، تطابق داشته باشد. بنابراین، مهم این است که به فرموله کننده های متبحر، مراجعه کرد. به هر حال، استفاده کننده های نهایی، باید چسب ها و مواد آب بندی مناسب برای هر زیرلایه، انتخاب کنند. وقتی این چسب ها و مواد آب بندی انتخاب شوند و کارایی و قیمت آنها، مورد تأیید قرار گیرد، استفاده کننده های نهایی باید هوشیار باشد تا تغییری در فرایند، مواد مورد استفاده و سایر فاکتورهای مؤثر ایجاد نکنند.
برخی دیگر از صنایع نیز به طور قابل توجهی، تحت تأثیر چسب و مواد آب بندی هستند. برای مثال، فروشندگان ادواتی که در زمینه ی ماشین های تولید، مونتاژ، عمل آوری، آماده سازی سطحی و ... کار می کنند. فروشندگان وسایل، همچنین دستگاه های تست را نیز توسعه می دهند و بوسیله ی آنها، استحکام اتصال بوجود آمده و پارامترهای فرایندی را می سنجند.

مزیت ها و محدودیت های مربوط به پیوندهای ایجاد شده با چسب

این بخش در واقع در مورد فرایند انتخاب روش اتصال دهی، صحبت می کند. هر اتصالی، باید با توجه به الزامات مربوطه، تدوین شود. زمان هایی وجود دارد که چسب ها، بدترین گزینه برای اتصال دو زیرلایه محسوب می شوند و زمان هایی نیز وجود دارد که چسب ها ممکن است بهترین انتخاب و یا تنها انتخاب، باشند.
اغلب باید زمان، دوام و هزینه ی مربوط به یک چسب، مورد بررسی قرار گیرد. برای مثال، پلاستیک های خاص، ممکن است نیازمند استفاده از فرایندهای آماده سازی سطحی خاص باشند به نحوی که چسب بتواند به سطح این قطعات بچسبد. کاربردهایی که نیازمند دمای سرویس دهی بالاست، نیازمند استفاده از چسب هایی است که در دوره ی زمانی طولانی، بتوانند در این کاربردها، مقاومت کنند.
به عبارت دیگر، کاربردهای خاص نمی توانند بدون وجود یک پیوند مناسب، ایجاد شوند. مثال هایی از این موارد، عبارتند از اتصال دهی مواد سرامیکی و الاستومرها، اتصال دهی زیرلایه های بسیار نازک، اتصال دهی پوسته های سطحی مربوط به ساختارهای لانه زنبوری و ... . همچنین کاربردهای خاصی وجود دارد که در آنها، چسب ها به دلیل هزینه ی پایین و سهل الوصول بودن، انتخاب می شوند.
برخی اوقات، جوش کاری معمولی و یا فرایندهای اتصال دهی مکانیکی، قابل استفاده نیستند. مواد زیرلایه ای ممکن است برای جوشکاری متالوژیکی، مناسب نباشند. علت این مسئله می تواند انبساط گرمایی بالا، مباحث شیمیایی و مقاومت در برابر حرارت باشد. محصول نهایی ممکن نیست قادر به قبول شکل یا توده ی مورد نیاز با استفاده از اتصالات مکانیکی، نباشد.
معمولاً انتخاب فرایند اتصال دهی، حالت سیاه و سفید ندارد. هر فرایند خاص، دارای مزیت ها و محدودیت های خاص خود می باشد. این محدودیت ها، حتی به محل استفاده ی این چسب ها نیز وابسته است. انتخاب ممکن است بر اساس سبک و سنگین کردن بین کارایی، ظرفیت تولید، هزینه و قابلیت اطمینان انجام شود. در این مقاله، اطلاعاتی مناسب در مورد این سبک و سنگین کردن، آورده شده است.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله : Handbook of adhesives and sealants/ Edxard M. Petrie