تئوری چسبندگی (1)

پنجشنبه، 14 ارديبهشت 1396

تخمین زمان مطالعه:

پدیدآورنده: علی اکبر مظاهری

شیمی علوم پایه

موارد بیشتر برای شما

مترجم: حبیب الله علیخانی
منبع:راسخون

مقدمه

یک تئوری منفرد در مورد چسب ها، وجود ندارد که بتواند به صورت دقیق تمام برهمکنش های اتفاق افتاده میان چسب و زیرلایه را توصیف کند. تئوری های موجود در مورد چسب ها، در این مقاله مورد بررسی قرار خواهند گرفت و بوسیله ی آنها، می توان روش هایی برای توجیه مشاهدات عملی بدست آوریم. این تئوری ها عموماً در یادگیری این مسئله مفید می باشند که چرا چسب ها چسبندگی ایجاد می کنند و چرا برخی از آنها، چسبندگی خود را از دست می دهند. تئوری های مربوط به چسب به ما اجازه می دهد تا پیش بینی های مورد نیاز برای آینده ی یک چسب را بدست آوریم و یا تصور منطقی از استحکام اتصال، بدست آوریم.
چندین تئوری در مورد چسب ها، وجود دارد که چرا این چسب ها، در زمان آزمایش، استحکام خود را حفظ می کنند. هرکدام از این تئوری ها، در مورد خاصی کاربرد دارند اما هیچ کدام از آنها، نمی تواند به طور کلی برای همه ی مسائل، مورد استفاده قرار گیرد. با آشنایی مناسب با این تئوری ها، می توان اصول کلی در مورد نحوه ی کار چسب ها و مواد آب بندی بدست آوریم.

نیروهای موجود در چسبندگی

نیروهایی که موجب می شوند تا یک چسب یا ماده ی آب بندی به زیرلایه بچسبد و همچنین نیروهایی که موجب می شوند یک چسب در حالت توده ای حفظ شود، دارای منشأ مشابهی می باشند. این نیروها، در تمام اطراف ما و همچنین در طبیعت یافت می شوند. برای آگاهی از چیزی که در چسب ها و مواد آب بندی اتفاق می افتد، ما باید ابتدا باید در مورد نیروهایی اطلاع داشته باشیم که موجب می شوند تا اتم ها و مولکول ها را کنار هم نگه دارد. اگر چه نیروهای مختلفی وجود دارد، این طبیعت فیزیکی و شیمیایی است که در یادگیری توسعه ی چسب ها و مواد آب بندی، مهم می باشد.

چسبندگی و نیروهای پیوستگی

استحکام پیوند تنها نتیجه ای از نیروهای پیوستگی نیست. سایر نیروها نیز در استحکام پیوند، مؤثرند. برای مثال، شیره ی قند ممکن است چسبندگی خوبی داشته باشد اما در حقیقت، این ماده یک چسب و ماده ی آب بندی ضعیف است. شکست شدن این ماده معمولاً از نوع پیوستگی است. استحکام پیوستگی یک چسب و یا ماده ی آب بندی به میزان استحکام چسبندگی آن، مهم می باشد. مشابه یک قطعه ی معیوب در یک زنجیره، پیوند نیز در محل های تضعیف شده، می شکند. در این مکان ها، نیروهای بین مولکولی ضعیف ترین میزان را دارند. نیروهای چسبندگی موجب می شوند تا دو ماده در سطح خود حفظ شوند. اتصال های چسب و یا آب بندی ممکن است هم از لحاظ چسبندگی و یا از لحاظ پیوستگی، شکسته شوند. شکست چسبندگی شکستی در سطح مشترک بین زیرلایه و چسب می باشد. یک مثال از این مورد، پوسته ای شدن نوار سلفونی از سطح شیشه می باشد که در زمان جدایش فیلم چسبنده از شیشه اتفاق می افتد. شکست پیوستگی شکستی در داخل چسب و یا در یکی از زیرلایه ها می باشد. شکست پیوستگی در صورتی ایجاد می شود که دو زیرلایه ی فلزی که با استفاده از چسب روغنی به هم متصل شده اند، تحت کشش قرار گیرند. این ماده ی روغنی در زمان کشش، به صورت پیوسته متحمل شکست می شود. یک مثال دیگر از شکست پیوسته در صورتی ایجاد می شود که دو صفحه ی چوبی با استفاده از چسب اپوکسی به هم متصل شوند و سپس به صورت کششی به آنها، نیرو وارد شود. احتمالاً شکست منتج شده نشان می دهد که ذرات الیاف چوب در داخل چسب، جامانده اند. در این مورد، چوب و یا چسب به صورت پیوسته شکسته می شوند.
هم نیروهای چسبندگی و هم پیوستگی نتیجه ای از نیروهایی هستند که در بین مولکول ها و یا اتم ها، وجود دارند. این نیروها، نتیجه ای از جاذبه های بارهای مخالف بین مولکول ها، هستند. بخش مثبت یک مولکول بخش منفی مولکول دیگر را جذب می کند. مکان های دارای بار مثبت یا منفی بزرگتر و همچنین فواصل نزدیک تر بین مولکول های با بار مخالف، موجب می شود تا نیروی جاذبه ی بیشتری ایجاد شود.
نیروهای چسبندگی یا پیوستگی می توانند مربوط به برهمکنش های مولکولی کوتاه برد و یا بلند برد باشند. این مسئله همچنین به پیوندهای اولیه و یا ثانویه، وابسته می باشند. جدول 1 ویژگی های این نیروها را بیان کرده است. نوع دقیق نیروهایی که در سطح مشترک کار می کنند، عموماً به صورت زیر می باشند:

نیروهای واندروالس (جاذبه ی فیزیکی)

پیوندهای هیدروژنی (جاذبه های قطبی قوی)

پیوندهای یونی، کوالانسی، یا شبه کوئوردیناسیونی (جذب شیمیایی)
برهمکنش های مولکولی کوتاه برد شامل نیروهای کوالانسی، یونی و فلزی می باشد. نیروهای کوالانسی از واکنش های شیمیایی منتج می شوند مانند آن دسته از نیروهایی که در برخی از عملیات های سطحی بر روی شیشه انجام می شود. جوشکاری یا فرایندهای لحیم کاری موجب تشکیل پیوندهای فلزی می شوند. به هر حال، این نیروها، عموماً کمتر رواج دارند و امروزه، در این کاربردها، از چسب استفاده می شود. مهم ترین نیروهای مربوط به چسبندگی، نیروهای ثانویه و یا واندروالس هستند.
طبیعت دقیق این نیروها و اثر آنها بر روی استحکام چسبندگی و یا پیوستگی، به سختی قابل تعیین می باشند. به هر حال، یک آگاهی عمومی در مورد منشأ آنها و ویژگی های مربوطه، در یادگیری این مسئله مؤثر است که چرا استحکام پیوند حفظ می شود و یا از بین می رود.

جنبه ی انرژی سطحی

نیروهایی که موجب حفظ یک چسب در کنار یک زیرلایه می شود، می توانند با استفاده از نیرویی اندازه گیری شود که برای جداسازی این دو سطح از همدیگر، مورد نیاز می باشد. این نیرو به نیروهای بین مولکولی وابسته می باشند که در ماده موجود می باشد. همچنین از جمله عوامل مؤثر دیگر، فاصله ی بین مولکول ها می باش. برخی اوقات، این نیرو، انرژی سطحی گاما، نامیده می شود.
این قطعی است که مایع ها، دارای انرژی سطحی هستند که به سهولت قابل اندازه گیری می باشند. در غیاب اعوجاج های گرانشی مربوط به شکل، مایع تمایل دارد تا در پایین ترین حالت انرژی خود قرار داشته باشد. این حالت، در حالت کروی مشاهده می شود. انرژی سطحی مربوط به یک مایع خالص به سهولت بدست می آید زیرا این انرژی، انرژی کششی سطحی می باشد.
کشش سطحی و انرژی سطحی به صورت عددی برای مایع ها، ایده آل می باشند. انرژی سطحی عموماً در واحد میلی ژول بر متر مربع بیان می شود، در حالی که کشش سطحی در واحد دین بر سانتی متر یا نیوتن بر متر، گزارش می شود. کشش سطحی مایع های آلی و مایع های غیر آلی به ندرت از کشش سطحی آب بالاتر می رود.
انرژی های سطحی مربوط به مایع ها، به سهولت با استفاده از روش حلقه ی duNouy یا صفحه ی Wilhelmy قابل اندازه گیری می باشد (شکل 1). با استفاده از حلقه ی duNouy، یک حلقه ی پلاتینی تمیز تحت کشش قرار می گیرد و مایع به آرامی حرکت کرده تا جایی که حلقه از سطح مایع جدا می شود. نیروی مورد استفاده ثبت شده و با یک روش مناسب، به کشش سطحی تبدیل می شود. روش صفحه ی Wilhelmy مشابه با روش قبلی است و در این روش نیز نیروی بین سطح اندازه گیری می شود.

یک روش دیگر برای اندازه گیری کشش سطحی، روش اندازه گیری وزن کاهش یافته بر حجم کاهش یافته می باشد. در این روش، متوسط حجم مایع مورد بررسی که موجب افتادن یک پیستون استاندارد می شود، مورد بررسی قرار می گیرد و بدین صورت، کشش سطحی مایع، اندازه گیری می شود.
در حالی که کشش سطحی یک مایع در واقع یک تنش سطحی واقعی است، این مسئله برای سطوح جامد صدق نمی کند. در مورد جامدها، کار با خراش گذاشتن بر روی یک سطح انجام می شود و سطحی تشکیل نمی شود. برای یک سطح جامد، انرژی سطحی و کشش سطحی مشابه نیست.
اغلب این متداول است که گاما (γ) هم به عنوان انرژی سطحی و هم به عنوان کشش سطحی استفاده شود، اما این استفاده دقیق نیست زیرا کشش در سطح مشترک یک جامد، بزرگتر از انرژی سطحی است. اندازه گیری کشش سطحی یک مایع در تعادل با بخار آن، ساده است اما این مسئله در سطح مشترک جامد، ساده نمی باشد. اندازه گیری های انجام شده بر روی جامدهای پر انرژی عمدتا در نزدیکی نقطه ی ذوب انجام می شود، در حالی که برای چسب ها، خواص این مواد در دمای محیط، مد نظر ما می باشد. انرژی های سطحی آزاد مربوط به جامدهای با انرژی سطحی پایین (مانند مواد پلیمری)، به صورت غیر مستقیم از طریق اندازه گیری زاویه، بدست می آیند.
در مورد اندازه گیری زاویه ی تماس، یک قطره مایع بر روی سطح یک جامد، قرار داده می شود. این فرض می شود که این مایع با سطح جامد واکنش نمی دهد و سطح جامد نیز تا حد ممکنه صاف و صیقلی است. به قطره اجازه داده می شود تا به سهولت حرکت کند و با سطح تعادل پیدا کند. اندازه گیری زاویه ی تماس تتا (θ) معمولاً با استفاده از زاویه ی سنج، انجام می شود. زاویه ای که قطره با سطح ایجاد می کند، به دقت اندازه گیری می شود. یک دیاگرام از اندازه ی زاویه ی تماس، در شکل 2 آورده شده است.

یک تعادل نیرو میان مایع و جامد به صورت زیر نوشته می شود:

که در اینجا، γ_LV کشش بین سطحی مایع- بخار، θ زاویه ی تماس، γ_SV کشش بین سطحی جامد- بخار و γ_SL کشش سطحی جامد- مایع می باشد. این معادله، به نام معادله ی یانگ معروف است. γ_SV انرژی بین سطحی جامد- بخار است و انرژی سطحی واقعی جامد نیست. رابطه ی انرژی سطحی با γ_SV به صورت زیر می باشد:

که در اینجا، γ انرژی سطحی واقع جامد است و π_e در واقع فشار تعادلی گسترش می باشد. این انرژی اندازه ای از انرژی است که از طریق بخارات ایجاد شده در سطح، جذب می شود، بنابراین، این مورد موجب کاهش انرژی می شود.
یک روش ساده تر برای تخمین انرژی سطحی جامدها، بوسیله ی Zisman ارائه شده است. این فرد یک انرژی سطحی بحرانی (γ_C) پیشنهاد کرده است که می تواند بوسیله ی اندازه گیری زاویه ی تماس یک سری از مایع های شناخته شده بر روی سطح مورد نظر، تخمین زده شود. این زوایای تماس بحرانی به صورت تابعی از γ_LV رسم می شوند. کشش سطحی بحرانی به صورت محل برخورد خط افقی با نمودار، تعریف می شوشد (شکل 3). این محل برخورد که در شکل 3 نشان داده شده است، نقطه ای است که زاویه ی تماس صفر است.

مقدار کشش سطحی بحرانی برای بیشتر جامدهای غیر آلی، در حد چند صد یا چند هزار دین بر سانتی متر می باشد. این مقدار برای پلیمرها و مایع های آلی، حداقل یک دهم این میزان می باشد. مقادیر کشش سطحی های بحرانی برای جامدهای متداول و کشش های سطحی مربوط به مایع های متداول، در جدول 2 آورده شده است. کشش سطحی بحرانی یک جنبه ی بسیار مهم می باشد که در زمینه ی یادگیری مفهوم تر شوندگی، مهم می باشند. در ادامه در مورد آنها صحبت خواهد شد.

کار چسبندگی و پیوستگی

اگر یک ماده ی بالک تحت نیروی کششی کافی قرار گیرد، ماده خواهد شکست و موجب می شود تا دو سطح جدید ایجاد شود. اگر ماده به طور کامل ترد باشد، این شکست موجب تشکیل سطح جدید می شود. تحت این فرض ها، اگر شکست به طور پیوسته انجام شود و هر دو سمت زیرلایه، از یک جنس باشد، بنابراین،

که در اینجا، W_C به عنوان کار پیوستگی تعریف می شود.
حال به طور مشابه، جدایش یک ماده از ماده ی دیگر را در نظر بگیرید. انرژی مورد انتظار باید مجموع دو انرژی سطحی گاما یک و گاما دو باشد. به هر حال، به دلیل اینکه دو ماده در تماس با هم هستند، نیروهای بین مولکولی پیش از اینکه ماده از هم جدا شود، وجود دارد. این انرژی سطح مشترک می تواند به صورت γ_12 تعریف شود. W_A که کار چسبندگی می باشد، ممکن است به عنوان انرژی های سطحی مربوط به چسب و زیرلایه، تعریف شود:

این معادله، به معادله ی کلاسیک دوپری معروف است که در سال 1869 تدوین شده است. این معادله می تواند همچنین به صورت زیر تعریف شود:

با جایگزینی معادله ی یانگ در معادله ی Dupre، معادله ی یانگ- دوپری به صورت زیر بدست می آید:

این معادله به یک پارامتر ترمودینامیکی وابسته می باشد. در واقع می توان معادله را به صورت زیر نوشت:

انرژی شکست پیوند
انرژی شکست پیوند از دو جزء تشکیل شده است: کار برگشت پذیر مربوط به چسبندگی و کار غیر برگشت پذیر تغییر شکل چسبندگی. بنابراین، استحکام مربوط به چسبندگی رابر استیرن بوتادین به دو جزء وابسته است: یکی توزیع انرژی ویسکوالاستیک که تابعی از سرعت آزمایش و دماست، و انرژی شکست ذاتی که به طور نزدیکی با کار چسبندگی در ارتباط است (در حالت شکست بین سطحی).
بیشتر کارها در زمینه ی علوم چسب، بر روی بدست آوردن رابطه ی میان W_A و چسبندگی عملی می باشد که اولی محاسباتی می باشد. Ahagon و همکارانش نشان دادند که چسبندگی واقعی یا تجربی می تواند با کار چسبندگی و تابعی مرتبط باشند که مکانیزم توزیع انرژی در داخل پیوند حاصله از چسب را توصیف کند.
در واقع چسبندگی عملی یا واقعی به صورت زیر محاسبه می شود:

زتا (ξ) فاکتوری است که با خواص ویسوالاستیسیته ی چسب مرتبط است و از این رو، با ویژگی های مربوط به جذب انرژی مکانیکی در اتصال، مرتبط می باشد. این مورد برخی اوقات، با مقدار انرژی جذب شده بوسیله ی تغییر شکل اتصال، مرتبط می باشد. همانگونه که در شکل 4 نشان داده شده است، کار عملی مربوط به چسبندگی معادل کار تئوری چسبندگی است که بوسیله ی اثرات بین سطحی تعیین شده است. این مورد همچنین به کار مکانیکی جذب شده در اتصال نیز وابسته است. بنابراین، در یک چسبندگی بدون قابلیت تغییر شکل، کار عملی چسبندگی معادل کار تئوری چسبندگی می باشد.

از بحث بالا، این تشخیص داده می شود که مباحث مطرح شده در مورد انرژی ها و کارهای سطحی، بسیار ساده تر از آن چیزی است که بتواند در مورد یک شکست، از آنها بهره برد. همچنین شک و شبهه های زیادی در مورد قابلیت استفاده و مفید بودن مستقیم این روابط، وجود دارد. به هر حال، نتایج زیر، می تواند مشتق شود و همچنین این مباحث، کمک خوبی به استفاده کننده از چسب و ماده ی آب بندی، می کند:
کار چسبندگی در زمانی ماکزیمم است که زاویه ی تماس برابر با صفر باشد و مایع به طور کامل بر روی سطح جامد، پخش شده باشد. این شرایط بر این دلالت دارد که نیروهای قوی بین مولکول های مایع و زیرلایه (نسبت به نیروهای بین مولکول های خود مایع) وجود دارد.