تئوری چسبندگی (3)

مترجم: حبیب الله علیخانی
منبع:راسخون

تئوری لایه ی مرزی تضعیف شده

با توجه به تئوری لایه ی مرزی تضعیف شده که ابتدا بوسیله ی Bikerman پیشنهاد شده است، وقتی شکست پیوند در سطح مشترک اتفاق می افتد، معمولا یک گسستگی منسجم در لایه ی مرزی تضعیف شده ایجاد می شود. این تئوری پیشنهاد می دهد که شکست بین سطحی، به ندرت رخ می دهد. شکست ممکن است به حدی نزدیک به سطح مشترک ایجاد شود که تصور ایجاد شود، شکست در سطح مقطع ایجاد شده است. البته در بیشتر موارد، شکست به صورت تغییر شکل پلاستیک و یا منسجم و در لایه ی مرزی تضعیف شده، رخ می دهد. لایه های مرزی تضعیف شده می تواند در بخش چسب و یا زیرلایه و یا هر دوی آنها، ایجاد شود.
لایه های مرزی تضعیف شده، می توانند بر روی چسب و یا زیرلایه ایجاد شود اگر غلظت ناخالصی در نزدیکی سطح اتصال، بالا باشد و بدین صورت، یک اتصال تضعیف شده با زیرلایه ایجاد شده باشد. وقتی شکست ایجاد می شود، این لایه ی مرزی تضعیف شده است که می شکند، اگر چه این ممکن است به نظر برسد که شکست در سطح مشترک چسب و زیرلایه ایجاد شده است.
ایجاد اتصال های چسبی ممکن است به سه دوره تقسیم شود: اعمال چسب، گیرش و دوره ی سرویس دهی. لایه های مرزی تضعیف شده می تواند در طی هر یک از این دوره های زمانی، ایجاد شود.
قبل از اعمال چسب، مهم ترین وظیفه، حذف لایه های مرزی تضعیف شده، می باشد. متداول ترین مواد مورد استفاده در اینجا، حذف حباب های هوای موجود در بین زیرلایه و چسب می باشد که در واقع این مسئله به دلیل قابلیت ترشوندگی بالای چسب، تسریع می شود. دو مثال دیگر در مورد لایه های مرزی تضعیف شده که در زمان اعمال با آنها مواجه هستیم، در مورد زیرلایه های فلزی و پلی اتیلنی مشهود است. زیرلایه های پلی اتیلنی معمولا دارای اجزای مولکولی با وزن پایین هستند که به صورت تصادفی در داخل پلیمر، توزیع شده اند. این لایه های مرزی تضعیف شده، در سطح مشترک قرار دارند و وقتی پلی اتیلن عمل آوری نشده به عنوان چسب و یا زیرلایه استفاده شود، موجب کاهش تنش ها می شوند. برخی از اکسیدهای فلزی مانند اکسید آلومینیوم، بسیار سخت هستند و موجب افزایش استحکام اتصال نمی شوند. به هر حال، سایر مواد اکسیدی مانند آنهایی اکسید مس، می توانند حذف شوند و یا با استفاده از فرایندهای خاص سطحی، موجب تقویت اتصال شوند.
در طی دوره ی زمانی ثانویه در عمر یک چسب، جامد شدن، یک مرحله ی اولیه محسوب می شود. در بسیاری موارد، لایه های مرزی جدید ممکن است در طی مرحله ی گیرش، ایجاد شوند و اگر آنها تضعیف شوند، اتصال نهایی نیز تضعیف می شود. یک مثال از یک لایه ی مرزی تضعیف شده که در طی این مرحله تشکیل می شود، ممکن است واکنش شیمیایی محصولات فرعی با عوامل سخت کننده، باشد. سطوح فلزی فعال خاص (مانند تیتانیم) با برخی ومواد سخت کننده واکنش می دهد. یک سطح تمیز زیرلایه ممکن است همچنین با اجزای خود چسب، آلوده شود. برای مثال، چسب ها می توانند حاوی آب و یا مولکول های با وزن مولکولی پایین باشند که می توانند به صورت ترجیحی بر روی سطح زیرلایه ها، جذب شوند.
در طی دوره ی سوم در عمر یک چسب (سرویس دهی)، لایه های مرزی تضعیف شده ممکن است بوسیله ی نفوذ رطوبت از میان چسب و یا زیرلایه و قرارگیری در سطح مشترک، ایجاد شود. پلاستیسایزر، حلال ها و سایر مواد با وزن مولکولی پایین ممکن است از چسب و یا زیرلایه خارج شوند و بر روی سطح مشترک، بچسبند. اتصال پل وینیل کلراین پلاستیک می تواند با مشکل مواجه شود که این مشکل به دلیل وجود برخی مواد اتصال دهنده در این مواد، ایجاد می شود. این مسئله به دلیل طبیعت فرار مواد پلاستیسایزر، می باشد. لایه ی مرزی تضعیف شده ی دیگر که می تواند در طی عمل آوری ایجاد شود، در واقع به واسطه ی اجزای زیرلایه ایجاد می شود که این اجزا احتمالا با محیط اطراف واکنش داده و گونه های فرار ایجاد می کنند. خوردگی زیرلایه های آلومینیومی می تواند در سطح مشترک ایجاد شود و موجب شود تا استحکام اتصال، افت کند. در زمانی که اتصال در دماهای نسبتا بالا قرار گیرد، زیرلایه های فنولیک عمل آوری شده، از خود رطوبت آزاد می کنند. این رطوبت محصول فرعی این عمل آوری است و موجب می شود تا استحکام پیوند، کاهش یابد.
مراحل مربوط به عمر یک چسب و یا ماده ی آب بندی
همانگونه که در بخش قبل، مشاهده کردید، عمر یک اتصال چسبی، دارای چند مرحله ی مهم می باشد، خواص این ماده چسب باشد و یا یک ماده ی آب بندی. این مراحل، عبارتند از:
اعمال و ترشوندگی
گیرش و صلب شدن

سرویس دهی

میزان چسبندگی بین سطحی عموماً بوسیله ی مرحله ی یک و دو، تعیین می شود. مراحل دو و سه میزان استحکام پیوستگی را تعیین می کند. تمام مراحل به طور قابل توجهی بر کارایی کل اتصال، اثرگذار هستند. از نقطه نظر عملی، مرحله ی آخر جایی است که کارایی نهایی چسب و یا ماده ی آب بندی، اندازه گیری می شود. این مسئله شامل پیرشدگی مواد اتصال دهنده در محیط سرویس دهی و در معرض تنش های کاربردی می باشد.
فرایندهایی در تمام این سه مرحله وجود دارند که در نهایت بر روی چسبندگی و کارایی چسب و ماده ی آب بندی، مؤثرند. این مهم است که این فرایندها را بدانیم و اثراتی را مورد توجه قرار دهیم که این فرایندها بر روی کارایی چسب دارند.

اعمال و ترشوندگی

همانگونه که در بخش تئوری جذب سطحی چسب، صحبت شد، یک چسب باید بتوانند در ابتدا زیرلایه را به خوبی تر کند و در تماس کامل با آن قرار گیرد. نتیجه ی یک ترشوندگی خوب به طور ساده، این است که مساحت تماس بیشتری بین چسب و زیرلایه، ایجاد می شود که در این محدود، کار نیروهای چسبندگی، بهبود می یابد. همانگونه که در بخش قبل گفته شد، برای ترشوندگی ماکزیمم، انرژی سطحی مربوط به چسب های مایع باید کمتر از انرژی بحرانی جامد باشد. جدول 1 کشش های سطحی مربوط به چسب های مایع و کشش های سطحی بحرانی را برای جامدهای مختلف، بیان می کند.
ترشوندگی سطوح با استفاده از چسب ها، می تواند با دو فعالیت توصیف شود: یک لایه از چسب که بر روی سطح، گسترش یافته است و یک نفوذ از چسب مایع در داخل حفرات سطحی که در واقع به ویژگی های سطحی زیرلایه، وابسته می باشد. اولین فعالیت بوسیله ی انرژی های سطحی چسب و زیرلایه کنترل می شود و دومین فعالیت بوسیله ی ویسکوزیته ی چسب و زمانی سخت شدن چسب، کنترل می شود.

این مفید است که ابتدا چسبندگی را در نظر گرفت که در زمانی ایجاد می شود که تنها یک مایع با قابلیت ترکنندگی، برای تولید چسبندگی، استفاده شده است. وقتی دو سطح مسطح و صاف به طور همزمان با یک لایه ی نازک مایع تر شود، چسبندگی قابل توجهی می تواند ایجاد شود. دلیل این مسئله، پدیده ای است که در شکل 1 نشان داده شده است.

به هر حال، در حقیقت، فرض های در نظر گرفته شده در این حالت، هیچگاه واقعی نیستند. برای رسیدن به حالت شبه ایده آل نیز باید هزینه های قابل توجه انجام داد. عدم وجود گردوغبار و سایر ذرات بر روی سطح می تواند در تشکیل یک اتصال قوی، مهم باشد. مقاومت اتصال در برابر تنش به ندرت بوسیله ی ویسکوزیته ی فیلم مایع، محاسبه می شود. از این رو، تنها اگر ویسکوزیته بسیار بزرگ باشد، اتصال در برابر فشار بار، مقاومت می کند.
از آنجایی که سطوح واقعی کاملا مسطح و نرم نیستند، این ضروی است که در مورد اثرات زبری بر روی استحکام اتصال، اطلاعات داشته باشیم. یک مایع ویسکوز می تواند بر روی یک سطح جامد گسترش یابد ولی هنوز حاوی تخلخل ها و حفرات سطحی کوچک و حاوی هوا باشد. حتی اگر مایع به صورت آنی بر روی سطح جامد گسترش یابد، هیچ قطعیتی وجود ندارد که زمان مناسب برای پر شدن حفرات و شیارها، مهیار شده باشد. مکانیزم های پر کردن شکاف عموماً با مکانیزم های گیرش مایع در رقابت هستند.
مشکلات وقتی ایجاد می شوند که جامد شدن مایع بعد از اعمال آن بر روی سطح اعمال شده، به سرعت انجام شود. دو مثال در واقع عمل آوری سریع اپوکسی ها و ژله ای شدن سریع چسب های گرمایی می باشد. سیستم های چسب اپوکسی با واکنش پذیری سریع عموماً دارای استحکام چسبندگی بالایی نیستند. این استحکام برای چسب های اپوکسی با واکنش پذیری آرام، بالاتر است. یک دلیل برای این مسئله، این است که واکنش عمل آوری زمان کافی برای پر کردن تخلخل ها بوسیله ی چسب را فراهم نمی کند. به عبارت دیگر، چسب های سیانواکریلاتی همچنین چسب هایی با عمل آوری سریع هستند که استحکام قوی را در بسیاری از زیرلایه ها، ایجاد می کنند. اگر چه رزین های سیانواکریلاتی سریعأ سخت می شوند، ویسکوزیته و ویژگی های ترشوندگی آنها، موجب می شود تا سریعاً بر روی سطح زیرلایه نفوذ کنند. وقتی یک چسب حرارتی در حالت گرم، اعمال می شود و بر روی سطح یک فلز قرار می گیرد، فرایند سرد شدن، به صورت آهسته انجام می شود. وقتی یک فلز گرم با سطح سرد تماس برقرار می کند، ژل چسب به سرعت سرد می شود و زمانی برای پر کردن حفرات وجود ندارد.
در موارد خاص، زبری سطحی ممکن است مطلوب نباشد چون در واقع این زبری موجب می شود تا استحکام اتصال نهایی، افت کند. تفاوت قابل توجهی در مورد اندازه گیری زاویه ی تماس یک مایع بر روی سطح تمیز و خشک و یک سطح تر، وجود دارد. وقتی یک تفاوت میان این دو زاویه مشاهده شود، متداول ترین عامل ایجاد کننده ی آن، به دام افتادن هوا در داخل حفرات و تخلخل های آن، بیان می شود. به هر حال، وقتی مراقبت خوبی بر روی آماده سازی سطحی انجام شود، سطوح مناسبی ایجاد می شود که ویژگی های مطلوبی برای اتصال چسب دارند. Wenzel مشاهده کرد که زاویه ی تماس ظاهری و اندازه گیری شده میان مایع و سطح جامد و زاویه ی واقعی تماس میان مایع و سطح جامد، از رابطه ی زیر بدست می آید:
r=cos⁡〖θ^' 〗/cos⁡θ
که در اینجا، r یک میزان از زبری سطحی است. در اینجا، θ^' می تواند زاویه ی تماس بین مایع و سطح جامد باشد و θ نیز زاویه ی تماس میان ماع و سطح در مرز تماس هوا- مایع- جامد می باشد. از آنجایی که بیشتر مایع های آلی دارای زاویه های تماس کمتر از 90 درجه بر روی سطوح فلزی تمیز و پولیش خورده، هستند، اثر زبری سطحی، موجب می شود تا θ از θ^' بزرگتر باشد. بنابراین، ترشوندگی بهبود می یابد و استحکام اتصال منتج شده، به صورت مثبت بوسیله ی زبری تحت تأثیر قرار می گیرد. به هر حال، وقتی سطح بوسیله ی یک مایع با زاویه ی تماس بزرگتر از 90 درجه، پوشیده می شود، اثر زبری موجب می شود تا θ از θ^' کوچکتر باشد و بدین صورت، ترشوندگی افت می کند.
این اثر در وقتی مشهود است که سعی می کنیم تا یک سطح با انرژی پایین مانند پلی اتیلن را با چسب اپوکسی به هم متصل کنیم. بدون آماده سازی سطحی، زاویه ی تماسی که اپوکسی مایع بر روی سطح پلی اتیلن ایجاد می کند، بزرگتر از 90 درجه است. بنابراین، اتصال های ایجاد شده با چسب اپوکسی که بوسیله ی زبر کردن سطح پلی اتیلن تسریع می شود، ضعیف تر از استحکام هایی است که با استفاده از سطح غیر زبر، ایجاد شده است. این مسئله برخی اوقات برای زیرلایه های فلزی نگرانی کمتری ایجاد می کند. در مورد سطوح فلزی، بیشتر چسب ها، زاویه ی تماس کمتر از 90 درجه ایجاد می کنند و زبری سطحی معمولاً موجب بهبود استحکام اتصال می شود. به هر حال، با استفاده از پلی اتیلن عمل آوری نشده، این اثر معکوس است و دقیقا چیزی است که مطلوب نیست.

گیرش و جامد شدن

وقتی یک چسب مایع و یا یک ماده ی آب بندی صلب می شود، اتلاف در استحکام آن، بزرگتر از اتلافی است که در نواحی تماس، ایجاد می شود. این مسئله به دلیل ملاحظاتی است که در بالا بیان شد. در گیرش و عمل آوری، کاهش های اتفاق افتاده در استحکام، به دلایل زیر ایجاد می شود:

نقاط تمرکز تنش محلی در سطح مشترک

تنش ایجاد شده به دلیل تفاوت در ضرایب انبساط گرمایی مربوط به چسب و زیرلایه
تنش های مربوط به شرینکیج چسب و یا ماده ی آب بندی در زمان عمل آوری

تنش های محلی

اتلاف های ایجاد شده نسبت به استحکام تئوری چسب از تمرکز تنش داخلی ایجاد می شود که به دلیل به دام افتادن هوا و گازهای دیگر در حفرات، ایجاد می شود. Griffith نشان داده است که اتصال چسب ها، ممکن است در تنش های نسبتا پایین بشکند اگر ترک، حباب های هوا، ناخالصی ها و سایر عیوب در آن حضور داشته باشند. اگر بسته های هوایی و حفرات در سطح زیرلایه تماما در یک صفحه قرار دارند و از هم جدا نیستند. در این حالت، ترک ها به سرعت از یک حفره به حفره ی دیگر، گسترش می یابند. به هر حال، یک میزان متغیر از زبری مانند آن چیزی که در شکل 2 مشاهده می شود، موانعی در برابر انتشار آن ترک، ایجاد می کند. بنابراین، نه تنها زبری سطحی، عامل مهم تلقی می شود، بلکه میزان و نوع زبری نیز می تواند مهم باشد. این همچنین نشان داده شده است که یک تمرکز تنش می تواند در نقاطی مشاهده شود که سطح چسب انحنا دارد. این تمرکز تنش موجب افزایش زاویه ی تماس می شود. در همین حال، ناحیه ای که در آن تمرکز تنش ماکزیمم وجود دارد، به سمت سطح مشترک چسب و زیرلایه، حرکت خواهد کرد. فاکتورهای تمرکز تنش برای یک اتصال رویهم افتاده و در حالت برشی با زاویه ی تماس 0 تا 90 درجه، در شکل 3 قابل مشاهده می باشد. برای زوایای تماس کمتر از 30 درجه، ماکزیمم تنش ایجاد شده در سطح آزاد مربوط ببه چسب، از لبه ها دور است و تمرکز تنش بزرگتر از واحد نیست. برای زوایای تماس بزرگتر، تنش ماکزیمم در لبه های A اتفاق می افتد. در این حالت، فاکتور تمرکز تنش افزایش می یابد تا زمانی که برای زوایای 90 درجه، این مقدار بزرگتر از 2.5 است. بنابراین، ترشوندگی ضعیف به نقاط تضعیف کننده ای مرتبط است که در سطح مشترک زیرلایه و چسب مشاهده می شوند.