مترجم: حبیب الله علیخانی
منبع:راسخون
منبع:راسخون
تنش های حاصله از گیرش که به دلیل تفاوت در انبساط گرمایی، ایجاد می شوند
وقتی یک چسب مایع به حالت جامد تبدیل می شود، استحکام تئوری مربوط به اتصال، کاهش می یابد که علت آن، وجود تمرکز تنش داخلی است که معمولا در ساختار ایجاد شده است. متداول ترین عامل تنش های داخلی به دلیل تفاوت در ضرایب انبساط گرمایی مربوط به چسب و زیرلایه، ایجاد می شود. این تنش ها باید در زمانی در نظر گرفته شود که چسب یا ماده ی آب بندی در دمایی جامد می شوند که از دمای نرمال، بیشتر است. این مسئله معمولا در شرایط سرویس دهی، اجتناب ناپذیر است. شکل 1 نشاندهنده ی ضرایب انبساط گرمایی برخی از چسب های متداول و زیرلایه ها می باشد. با توجه به این شکل، فهمیده می شود که چسب های بالک با تغییر دما، 10 برابر بیشتر حرکت می کنند و از این رو، این مسئله موجب می شود تا تنش هایی در سطح مشترک، ایجاد گردد.
تنش های ایجاد شده بوسیله ی تفاوت های حاصله از انبساط گرمایی می تواند قابل توجه باشد. برای مثال، یک یاتاقان را در نظر بگیری که در آن، یک بخش پلی آمیدی- ایمیدی در داخل یک بخش فولادی قرار گرفته است (شکل 2). علاوه بر این، این مسئله را در نظر بگیرید که چسب های مورد استفاده از نوعی باشند که در دمای 250 فارنهایت، عمل آوری می شوند. در این دمای عمل آوری، تمام زیرلایه ها و چسب های ژله ای، در تعادل با هم می باشند. به هر حال، وقتی دمای شروع به کاهش می کند، تنش هایی در داخل چسب ایجاد می شود که علت آنها شرینکیج بیشتر پلی آمید –ایمید نسبت به فولاد می باشد. در دمای اتاق، این تنش ها ممکن است قابل توجه باشند اما به اندازه ای بزرگ نیستند که موجب شکسته شدن چسب شوند. علاوه بر ان، فرض کنید که یاتاقان گفته شده در مکانی مورد استفاده قرار گیرد که دمای آن بین 250 تا -40 F باشد. در دمای 250 فارنهایت، تنش های داخلی به دلیل عدد تطابق در انبساط گرمایی به صفر کاهش می یابد. از این رو، ما به شرایط تعادلی باز می گردیم.
به هر حال، وقتی دمای سرویس دهی به -40 F کاهش می یابد، تفاوت ها در انبساط حرارتی ایجاد تنش های داخلی می کنند. این تنش ها، به تنش های ایجاد شده به دلیل عمل آوری، اضافه می شوند. بنابراین، شکست به آسانی رخ می دهد.
یک مثال ساده بوسیله ی نمودار نمونه وار مربوط به اتصال های ایجاد شده با چسب های با دمای عمل آوری بالا، قابل مشاهده می باشد (شکل 3). توجه کنید که استحکام پیوند در واقع با دما افزایش می یابد تا به یک میزان ماکزیمم می رد و سپس با افزایش دما، کاهش می یابد. این مورد شبیه موردی است که در آن، تنش های داخلی بوسیله ی افزایش دمای سرویس دهی، کاهش می یابد. وقتی دما تا حدی بالا می رود، تنش های داخلی به طور کامل آزاد می شوند و استحکام پیوند به میزان ماکزیمم خود می رسد. دمای آزمایش که در آن، این مسئله رخ می دهد بسیار نزدیک به دمای عمل آوری است. در دماهای آزمایش بالاتر، تنش های اضافی ایجاد می شود و یا اثرات تخریب گرمایی مشهود می شود و استحکام پیوند سپس با افزایش دمای آزمایش، کاهش می یابد.
چندین راه حل برای مسئله ی عدم تطابق ضریب انبساطی، وجود دارد. یکی از آنها، استفاده از چسب انعطاف پذیر است که با تغییرات زیرلایه، تغییر شکل می دهد. در اینجا، مورد مسئله ساز در واقع خزش چسب می باشد. در واقع چسب های با قابلیت انعطاف پذیری، معمولاً استحکام پیوستگی پایینی دارند. یکی دیگر از روش های تنظیم ضریب انبساط حرارتی چسب ها در یک محدوده ی نزدیک به ضریب انبساط حرارتی زیرلایه می باشد. این مسئله عموماً با انتخاب یک چسب متفاوت و یا با تغییر فرمولاسیون چسب قابل انجام می باشد. یک راه حل سوم، پوشش دهی یکی از زیرلایه ها و یا هر دوی آنها، با یک ماده ی پرایمر و یا یک عامل امتزاج دهنده، می باشد. این مواد می توانند یک حالت رهایش را برای حالتی ایجاد کنند که تفاوت در ضریب انبساط حرارتی مشاهده می شود.
تنش های عمل آوری ایجاد شده به دلیل شرینکیج چسب یا ماده ی آب بندی
تقریباً تمام مواد پلیمری در طی جامد شدن، شرینکیج یا انقباض دارند. برخی اوقات، آنها به دلیل خروج حلال، متحمل شرینکیج شده و وزن خود را از دست می دهند. حتی چسب های 100 رآکتیو مانند چسب های اپوکسی و یوریتانی نیز مقداری شرینکیج دارند زیرا توده ی پلیمری شده ی آنها حجم کمتری نسبت به عوامل مایع اولیه، دارند. جدول 1 نشاندهنده ی شرینکیج حجمی نمونه وار برای سیستم های چسب راکتیو در طی عمل آوری است.
نتیجه ی این شرینکیج در داقع ایجاد تنش های داخلی و تشکیل ترک و تخلخل در داخل خطوط اتصال، می باشد. چسب های الاستیک وقتی تحت تنش های داخلی قرار گیرند، متحمل تغییر شکل می شوند و کمتر تحت تأثیر شرینکیج قرار می گیرند. متخصصین فرمولاسیون، اغلب قادر به تنظیم سختی نهایی چسب یا ماده ی آب بندی هستند تا بدین صورت، قابلیت به حداقل رساندن تنش در طی شرینکیج، برای آنها، مقدور شود.
عملکرد در حین سرویس دهی
وقتی مکانیزم جامد شدن کامل می شود، اتصال عموماً تحت محیط کاری خود قرار می گیرد. ما در اینجا، از واژه ی اتصال برای چسب و یا ماده ی آب بندی استفاده می کنیم. محیط سرویس دهی ممکن است شامل دماهای بالا، تنش ها، مواد شیمیایی، تابش و یا یک تعداد از موارد دیگر باشد. این مهم است که اتصال در برابر شرایط محیطی، مقاوم باشند به نحوی که استحکام کاری عملی می تواند در کل عمر مفید چسب، حفظ شود. اثر شرایط سرویس دهی بر روی اتصال چسبی عمدتاً ایجاد تنش های متمرکز و یا پیر شدن به دلیل برخود عوامل محیطی، می باشد.
اثرات کوتاه مدت
تنش های متمرکز عمدتاً به دلیل اثرات فوری دما و ضرایب انبساطی مختلف، ایجاد می شوند. اثر ضرایب انبساط مختلف بر روی تنش های داخلی ایجاد شده در حین عمل آوری، در بخش های بعدی توصیف می شود. به هر حال، تنش های گرمایی می تواند به سهولت در طی عمر مفید اتصال، ایجاد شود.
روش مورد استفاده برای کاهش یک چنین تنش هایی، معمولاً استفاده از مواد انعطاف پذیر و یا افزایش تطابق بین ضرایب انبساطی می باشد. ضریب انبساط چسب ها و مواد زیرلایه باید تا حد ممکنه به هم نزدیک باشد تا بدین صورت، میزان تنش های ایجاد شده، محدود گردد. همانگونه که در جدول 1 مشاهده می شود، چسب های پلیمری عموماً دارای ضریب انبساط حرارتی است که به میزان یک درجه از فلزات، بزرگتر است. ضریب انبساط حرارتی چسب ها می توانند با استفاده از پرکننده های مختلف اصلاح شوند. یک چسب الاستیک قادر است تا تنش های داخلی موجود در ساختار خود را تحمل کند.
وقتی اتصال چسب ایجاد می شود و در شرایط سرویس دهی قرار داده می شود، سایر نیروها نیز موجب تضعیف این پیوند می شوند. نوع تنش های ایجاد شده، منشأ آنها و نرخی که تنش ها اعمال می شود، در اینجا، مهم می باشد. وقتی یک اتصال به صورت پیوسته جدا می شود، این در واقع بخش های مولکولی هستند که به صورت فیزیکی از همدیگر، جدا می شوند. این مسئله به دلیل شکسته شدن پیوندهای قوی در داخل زنجیره های مولکولی و یا گسستگی پیوندهای ضعیف میان این زنجیره ها، ایجاد می شود. جدایش پیوند می تواند به صورت آهسته و یا سریع انجام شود.
ترک وقتی ایجاد می شود که یک تنش متمرکز به اندازه ای بزرگ شود که موجب جدایش فیزیکی بخش های کنار هم شود. پلیمرهای کریستالی و یا دارای پیوندهای عرضی، معمولاً تمایل به ترک خوردن دارند و تمایل آنها به خزش، کمتر است. وقتی جدایش پیوند در زمان شکست پیوند، ظاهر می شود، این مسئله عموماً به دلیل این رخ می دهد که یک ترک بر روی سطح مشترک ایجاد شده است و یا یک ماده ی شیمیایی جایگزین چسب و یا زیرلایه شده است. ترک ها ممکن است از تنش های داخلی و یا خارجی ایجاد شوند.
خزش می تواند زمانی رخ دهد که نیروی کافی به یک توده ی خطی از مولکول ها اعمال شود و این مسئله نظم کریستالی آنها را از بین ببرد. خزش یک فرایند آهسته است. خزش در دماهای بالاتر از دمای انتقال به حالت شیشه ای (T_g )چسب، تسریع می شود. پلیمرهای دارای T_g پایین نمی توانند در جاهایی استفاده شوند که نیروهای بزرگ در دماهای متوسط به اتصال اعمال می شود. پیوند عرضی موجب می شود تا خزش کاهش یابد زیرا بخش های پلیمری بوسیله ی ساختار شبکه ای ثابت می شوند و نمی توان آنها را به سهولت حرکت داد.
اثرات بلند مدت
تنش های خارجی مخرب به طور بالقوه ممکمن است منشأ مکانیکی، گرمایی و یا شیمیایی داشته باشند. دما، رطوبت، اسپری نمک، مایعات، گازها و بارهای مکانیکی، تابش و خلأ متداول ترین شرایط محیطی خورنده و تخریب کننده، تلقی می شوند. آنها ممکن است به اندازه ی تخریب داشته باشند که موجب ایجاد شکست های زود هنگام شوند. مقاومت محیطی مورد نیاز به کاربرد وابسته می باشد. این الزامات باید پیش از پیکربندی اتصال نهایی و انتخاب ماده، در نظر گرفته شود.
بارهای پایدار می تواند موجب شکست های زود هنگام شوند اگر چه اتصال های بدون بار نیز ممکن است در یک چنین محیط هایی، استحکام کافی داشته باشند. اثرات همزمان انواع مختلف تنش (مکانیکی و شیمیایی) ممکن است اغلب همپوشانی کنند و موجب بروز شکست شوند. تغییر دمایی و بارهای سیکلی می تواند موجب کاهش دوام اتصال شود.
زمان هایی وجود دارد که در آنها، اتصال بدون تنش و عمل آوری شده، بدون دلیل می شکند. در واقع زمانی که پیرشدگی در چسب ایجاد می شود، شکست چسب ممکن است در بارهای متوسط و یا اندک، رخ دهد. وقتی رفتار این نوع از اتصال ها، در نظر گرفته می شود، عامل ایجاد کننده، اغلب دفع گزارش می شود. این واژه به معنای جایگزینی چسب از سطح بوسیله ی عوامل شیمیایی و یا بروز این مشکل در زیرلایه می باشد (شکل 4). در یک اتصال به زیرلایه، یک تعادل دینامیکی میان چسب و سایر مولکول ها، وجود دارد. آب، حلال ها، پلاستیسایزرها و مواد مختلف می توانند با این اتصال ها، رقابت کنند. رطوبت متداول ترین عامل مزاحم در این زمینه می باشد. اتصال ها در صورتی در برابر مسئله ی دفع مقاوم هستند که اتصال زیرلایه – چسب از لحاظ ترمودینامیکی و یا کینتیکی مطلوب باشد. برخی عوامل امتزاج دهنده ی متداول موجب تشکیل یک لایه ی نازک میان زیرلایه و چسب می شوند. این ماده دارای قرابت بالایی با هر دو ماده می باشد. یک چنین موادی به راحتی جایگزین مولکول های زائد می شوند.
یک اتصال چسبی شامل 5 لایه ی مختلف می باشد: اولین سطح چسبندگی ، لایه ی مرزی اول، چسب، لایه ی مرزی دوم و سطح چسبندگی دوم. عمر یک اتصال چسبی ممکن است به سه دوره تقسیم شود: اعمال چسب، گیرش و دوره ی سرویس دهی. رفتار هر 5 لایه در طی سه دوره، نشاندهنده ی این است که می تواند 15 مکانیزم مختلف در طی عمر یک اتصال منفرد، ایجاد شود. تمام این مکانیزم ها، می تواند بر روی کارایی اتصال، مؤثر باشند.
ترکیب چسب ها، سطوح چسبندگی، تنش ها و محیط، به گونه ای متنوع است که به ندرت اطلاعات دقیقی در مورد استحکام و عوامل پیرکنندگی آنها، وجود دارد. در جاهایی که زمان و مسائل مالی، اجازه دهد، اتصال های چسبی باید مورد ارزیابی قرار گیرند و میزان تحمل بار آنها مشخص شود.
پیرشوندگی محیطی عموماً موجب می شود تا: تنش های داخلی اضافی بر روی باند چسب ایجاد شود، چسب، سطوح چسبندگی و یا نواحی فاز داخلی تخریب شود و گاهی اوقات نواحی بین فازی جدید ایجاد شود. محیط سرویس دهی ممکن است موجب ایجاد تنش های اضافی بر روی اتصال چسب می شود که این مسئله می تواند اثر مثبت و یا منفی بر روی اتصال داشته باشد.
برای مثال، پیرشدگی یک چسب و یا ماده ی آب بندی در دماهای نسبتا بالا، از جمله مثال های این مسئله می باشد. در واقع چسب و یا ماده ی آب بندی، بسته به ترکیب شیمیایی واقعی، می تواند به دلیل اتلاف پلاستیسایزر یا افزایش اتصال های عرضی، شرینکیج کند. این مسئله همچنین به دلایلی موجب افزایش مدول الاستیسیته، می شود. به هر حال، اگر دما از دمای انتقال به حالت شیشه ای بیشتر شود، این احتمال وجود دارد که اثرات حاصله، متفاوت شود. در این حالت، این ماده است که منبسط می شود زیرا ضریب انبساط گرمایی بالاتری دارد. همچنین در این حالت مدول الاستیک نیز کاهش می یابد زیرا دمین های آزاد مولکولی افزایش می یابند. به هر حال، این مهم است که بدانیم این تغییرات می تواند همچنین تنش های موجود در اتصال را کاهش و یا افزایش دهد. این مسئله دلیل این موضوع است که چرا تنش های محیطی که در شکل 3 بخش سوم این مقاله نشان داده شده است، می تواند اثر مثبت و یا منفی بر روی استحکام اتصال، داشته باشد.
پیرشدگی همچنین موجب افزایش تخریب چسب، سطوح چسبندگی و یا نواحی بین فازی می شود. این مکانیزم های تخریب عموماً منجر به کاهش استحکام پیوستگی چسب می شود. برای مثال، حرارت دهی گرمایی ممکن است ابتدا موجب نرم شدن چسب شود و سپس حرارت دهی اضافی، می تواند موجب اکسیداسیون و پیرولیز مولکول های چسب شود. در معرض رطوبت قرار گرفتن، می تواند موجب تضعیف پیوستگی شود. این مسئله از طریق مکانیزم های واکنشی هیدرولیزی، رخ می دهد.
فاکتورهای محیطی ممکن است همچنین موجب تشکیل نواحی فاز میانی جدید شود. رطوبت محیطی همچنین می تواند موجب تشکیل لایه ی مرزی تضعیف شده در اتصال شود. رطوبت محیطی می تواند از میان چسب و زیرلایه نفوذ کند و در سطح مقطع قرار گیرد و همچنین موجب خوردگی سطوح چسبندگی فلزی شوند. مهاجرت پلاستیسایزر یا رطوبت همچنین با تداخل در ایجاد لایه ی مرزی، همراه است.
مکانیزم های خاص مربوط به مواد آب بندی
تمام حالت های شکستگی در چسب ها که در بخش های قبلی، توصیف شد، می تواند برای مواد آب بندی نیز بوجود آید. شکست چسبندگی، که در واقع یک کاهش استحکام پیوند میان ماده ی آب بندی و زیرلایه است، یک نوع متداول از شکست ها در مواد آب بندی، محسوب می شود. شکست های ایجاد شده در مواد آب بندی عمدتاً تحت شرایط زیر ایجاد می شود:
مواد آب بندی به طور مناسب فرموله نشده اند و بنابراین، به زیرلایه نمی چسبند.
یک لایه ی مرزی تضعیف شده در طی سرویس دهی ایجاد شده است و این لایه، موجب بروز شکست می شود.
مواد آب بندی ترد می شود و به قابلیت تحرک وابسته می شود که علت آن، عوامل محیطی می باشد. بنابراین، این ماده ی آب بندی ترد، دیگر قابلیت جبران حرکت های زیرلایه را ندارد و شکست به دلیل بزرگتر بودن استحکام پیوستگی از استحکام چسبندگی، رخ می دهد.
شکست پیوسته یک شکست در داخل بدنه ی ماده ی آب بندی است. این شکست در اغلب موارد با یک شکاف کوچک یا ایجاد سوراخ در ماده ایجاد می شود (شکل 5). این مسئله اغلب به دلیل این اتفاق می افتد که مواد آب بندی، موادی نرم هستند. با حرکت های تکراری و خارج از ظرفیت های حرکتی، مواد آب بندی از مرکز اتصال، گسسته می شوند. این شکست در واقع معادل شکست پیوسته در سطح اتصال می باشد. این متداول است که مواد آب بندی با استحکام بالا به همراه بتن، مورد استفاده قرار می گیرند. برخی مواد آب بندی دارای استحکام پیوسستگی بیشتری نسبت به بتن هستند مخصوصاً وقتی بتن به طور کامل عمل آوری نشده است. شکست نفوذی (شکل 5) اغلب در اتصال های ساختمانی مشاهده می شود. این شکست وقتی ایجاد می شود که مواد آب بندی گسترش یافته و به سمت پایین حرکت می کنند و سپس با کثیفی پر شوند. در طی سیکل های فشاری، این بسته های کثیفی موجب سایش سطحی مواد آب بندی می شود. این مسئله سپس منجر به ایجاد شکست می شود.
یک نوع متداول تر از شکست های ایجاد شده در مواد آب بندی، در شکل 6 قابل مشاهده می باشد. در اینجا، مواد آب بندی توسعه می یابند و به شکل بخش تبدیل می شوند. وقتی اتصال بسته می شود، مواد آب بندی مانند یک ستون باریک عمل می کند. این مسئله موجب می شود تا ماده ی آب بندی محافظ در برابر محیط مقاوم باشد و موجب شود تا نیروهای جدا کننده، لبه های ماده ی آب بندی را جداسازی کنند. شکست های فشاری نیز متداول هستند. این مسئله در شکل 6 نشان داده شده است. این ماده ی آب بندی تحت فشار قرار می گیرد و با به تعادل رسیدن، به حالت شکلی جدید در می آید.
وقتی یک اتصال باز می شود، ماده ی آب بندی به شکل قبلی خوب باز نمی گردد. به جای آن، این ماده به شکلی در می آید که حداقل سطح مقطع را داشته باشد. در واقع در این حالت، سطح مشترک اتصال، تنظیم می شود. این کرنش متمرکز است که منجر به شکست می شود.
یکی دیگر از مسائل متداول در استفاده از مواد آب بندی، این است که خواص مهم یک ماده ی آب بندی در حالت کاملا عمل آوری شده، اندازه گیری می شود. اغلب به دلیل سیکل های دمایی مانند آن دسته از سیکل هایی که در روزهای گرم و یا سرد ایجاد می شود، منجر به حرکت زیرلایه می شوند و این حرکت موجب می شود تا ماده ی آب بندی، به طور کامل، عمل آوری نشود. تنش های بیش از حد و یا زود هنگام، معمولا منجر به شکست های پیوسته می شود. محلول مورد استفاده از مواد آب بندی با عمل آوری سریع استفاده می کند به نحوی که بخش قابل توجهی از عمل آوری، پیش از اولین سیکل بحرانی زیرلایه، اتفاق می افتد.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله : Handbook of adhesives and sealants/ Edxard M. Petrie
وقتی یک چسب مایع به حالت جامد تبدیل می شود، استحکام تئوری مربوط به اتصال، کاهش می یابد که علت آن، وجود تمرکز تنش داخلی است که معمولا در ساختار ایجاد شده است. متداول ترین عامل تنش های داخلی به دلیل تفاوت در ضرایب انبساط گرمایی مربوط به چسب و زیرلایه، ایجاد می شود. این تنش ها باید در زمانی در نظر گرفته شود که چسب یا ماده ی آب بندی در دمایی جامد می شوند که از دمای نرمال، بیشتر است. این مسئله معمولا در شرایط سرویس دهی، اجتناب ناپذیر است. شکل 1 نشاندهنده ی ضرایب انبساط گرمایی برخی از چسب های متداول و زیرلایه ها می باشد. با توجه به این شکل، فهمیده می شود که چسب های بالک با تغییر دما، 10 برابر بیشتر حرکت می کنند و از این رو، این مسئله موجب می شود تا تنش هایی در سطح مشترک، ایجاد گردد.
یک مثال ساده بوسیله ی نمودار نمونه وار مربوط به اتصال های ایجاد شده با چسب های با دمای عمل آوری بالا، قابل مشاهده می باشد (شکل 3). توجه کنید که استحکام پیوند در واقع با دما افزایش می یابد تا به یک میزان ماکزیمم می رد و سپس با افزایش دما، کاهش می یابد. این مورد شبیه موردی است که در آن، تنش های داخلی بوسیله ی افزایش دمای سرویس دهی، کاهش می یابد. وقتی دما تا حدی بالا می رود، تنش های داخلی به طور کامل آزاد می شوند و استحکام پیوند به میزان ماکزیمم خود می رسد. دمای آزمایش که در آن، این مسئله رخ می دهد بسیار نزدیک به دمای عمل آوری است. در دماهای آزمایش بالاتر، تنش های اضافی ایجاد می شود و یا اثرات تخریب گرمایی مشهود می شود و استحکام پیوند سپس با افزایش دمای آزمایش، کاهش می یابد.
تنش های عمل آوری ایجاد شده به دلیل شرینکیج چسب یا ماده ی آب بندی
تقریباً تمام مواد پلیمری در طی جامد شدن، شرینکیج یا انقباض دارند. برخی اوقات، آنها به دلیل خروج حلال، متحمل شرینکیج شده و وزن خود را از دست می دهند. حتی چسب های 100 رآکتیو مانند چسب های اپوکسی و یوریتانی نیز مقداری شرینکیج دارند زیرا توده ی پلیمری شده ی آنها حجم کمتری نسبت به عوامل مایع اولیه، دارند. جدول 1 نشاندهنده ی شرینکیج حجمی نمونه وار برای سیستم های چسب راکتیو در طی عمل آوری است.
عملکرد در حین سرویس دهی
وقتی مکانیزم جامد شدن کامل می شود، اتصال عموماً تحت محیط کاری خود قرار می گیرد. ما در اینجا، از واژه ی اتصال برای چسب و یا ماده ی آب بندی استفاده می کنیم. محیط سرویس دهی ممکن است شامل دماهای بالا، تنش ها، مواد شیمیایی، تابش و یا یک تعداد از موارد دیگر باشد. این مهم است که اتصال در برابر شرایط محیطی، مقاوم باشند به نحوی که استحکام کاری عملی می تواند در کل عمر مفید چسب، حفظ شود. اثر شرایط سرویس دهی بر روی اتصال چسبی عمدتاً ایجاد تنش های متمرکز و یا پیر شدن به دلیل برخود عوامل محیطی، می باشد.
اثرات کوتاه مدت
تنش های متمرکز عمدتاً به دلیل اثرات فوری دما و ضرایب انبساطی مختلف، ایجاد می شوند. اثر ضرایب انبساط مختلف بر روی تنش های داخلی ایجاد شده در حین عمل آوری، در بخش های بعدی توصیف می شود. به هر حال، تنش های گرمایی می تواند به سهولت در طی عمر مفید اتصال، ایجاد شود.
روش مورد استفاده برای کاهش یک چنین تنش هایی، معمولاً استفاده از مواد انعطاف پذیر و یا افزایش تطابق بین ضرایب انبساطی می باشد. ضریب انبساط چسب ها و مواد زیرلایه باید تا حد ممکنه به هم نزدیک باشد تا بدین صورت، میزان تنش های ایجاد شده، محدود گردد. همانگونه که در جدول 1 مشاهده می شود، چسب های پلیمری عموماً دارای ضریب انبساط حرارتی است که به میزان یک درجه از فلزات، بزرگتر است. ضریب انبساط حرارتی چسب ها می توانند با استفاده از پرکننده های مختلف اصلاح شوند. یک چسب الاستیک قادر است تا تنش های داخلی موجود در ساختار خود را تحمل کند.
وقتی اتصال چسب ایجاد می شود و در شرایط سرویس دهی قرار داده می شود، سایر نیروها نیز موجب تضعیف این پیوند می شوند. نوع تنش های ایجاد شده، منشأ آنها و نرخی که تنش ها اعمال می شود، در اینجا، مهم می باشد. وقتی یک اتصال به صورت پیوسته جدا می شود، این در واقع بخش های مولکولی هستند که به صورت فیزیکی از همدیگر، جدا می شوند. این مسئله به دلیل شکسته شدن پیوندهای قوی در داخل زنجیره های مولکولی و یا گسستگی پیوندهای ضعیف میان این زنجیره ها، ایجاد می شود. جدایش پیوند می تواند به صورت آهسته و یا سریع انجام شود.
ترک وقتی ایجاد می شود که یک تنش متمرکز به اندازه ای بزرگ شود که موجب جدایش فیزیکی بخش های کنار هم شود. پلیمرهای کریستالی و یا دارای پیوندهای عرضی، معمولاً تمایل به ترک خوردن دارند و تمایل آنها به خزش، کمتر است. وقتی جدایش پیوند در زمان شکست پیوند، ظاهر می شود، این مسئله عموماً به دلیل این رخ می دهد که یک ترک بر روی سطح مشترک ایجاد شده است و یا یک ماده ی شیمیایی جایگزین چسب و یا زیرلایه شده است. ترک ها ممکن است از تنش های داخلی و یا خارجی ایجاد شوند.
خزش می تواند زمانی رخ دهد که نیروی کافی به یک توده ی خطی از مولکول ها اعمال شود و این مسئله نظم کریستالی آنها را از بین ببرد. خزش یک فرایند آهسته است. خزش در دماهای بالاتر از دمای انتقال به حالت شیشه ای (T_g )چسب، تسریع می شود. پلیمرهای دارای T_g پایین نمی توانند در جاهایی استفاده شوند که نیروهای بزرگ در دماهای متوسط به اتصال اعمال می شود. پیوند عرضی موجب می شود تا خزش کاهش یابد زیرا بخش های پلیمری بوسیله ی ساختار شبکه ای ثابت می شوند و نمی توان آنها را به سهولت حرکت داد.
اثرات بلند مدت
تنش های خارجی مخرب به طور بالقوه ممکمن است منشأ مکانیکی، گرمایی و یا شیمیایی داشته باشند. دما، رطوبت، اسپری نمک، مایعات، گازها و بارهای مکانیکی، تابش و خلأ متداول ترین شرایط محیطی خورنده و تخریب کننده، تلقی می شوند. آنها ممکن است به اندازه ی تخریب داشته باشند که موجب ایجاد شکست های زود هنگام شوند. مقاومت محیطی مورد نیاز به کاربرد وابسته می باشد. این الزامات باید پیش از پیکربندی اتصال نهایی و انتخاب ماده، در نظر گرفته شود.
بارهای پایدار می تواند موجب شکست های زود هنگام شوند اگر چه اتصال های بدون بار نیز ممکن است در یک چنین محیط هایی، استحکام کافی داشته باشند. اثرات همزمان انواع مختلف تنش (مکانیکی و شیمیایی) ممکن است اغلب همپوشانی کنند و موجب بروز شکست شوند. تغییر دمایی و بارهای سیکلی می تواند موجب کاهش دوام اتصال شود.
زمان هایی وجود دارد که در آنها، اتصال بدون تنش و عمل آوری شده، بدون دلیل می شکند. در واقع زمانی که پیرشدگی در چسب ایجاد می شود، شکست چسب ممکن است در بارهای متوسط و یا اندک، رخ دهد. وقتی رفتار این نوع از اتصال ها، در نظر گرفته می شود، عامل ایجاد کننده، اغلب دفع گزارش می شود. این واژه به معنای جایگزینی چسب از سطح بوسیله ی عوامل شیمیایی و یا بروز این مشکل در زیرلایه می باشد (شکل 4). در یک اتصال به زیرلایه، یک تعادل دینامیکی میان چسب و سایر مولکول ها، وجود دارد. آب، حلال ها، پلاستیسایزرها و مواد مختلف می توانند با این اتصال ها، رقابت کنند. رطوبت متداول ترین عامل مزاحم در این زمینه می باشد. اتصال ها در صورتی در برابر مسئله ی دفع مقاوم هستند که اتصال زیرلایه – چسب از لحاظ ترمودینامیکی و یا کینتیکی مطلوب باشد. برخی عوامل امتزاج دهنده ی متداول موجب تشکیل یک لایه ی نازک میان زیرلایه و چسب می شوند. این ماده دارای قرابت بالایی با هر دو ماده می باشد. یک چنین موادی به راحتی جایگزین مولکول های زائد می شوند.
ترکیب چسب ها، سطوح چسبندگی، تنش ها و محیط، به گونه ای متنوع است که به ندرت اطلاعات دقیقی در مورد استحکام و عوامل پیرکنندگی آنها، وجود دارد. در جاهایی که زمان و مسائل مالی، اجازه دهد، اتصال های چسبی باید مورد ارزیابی قرار گیرند و میزان تحمل بار آنها مشخص شود.
پیرشوندگی محیطی عموماً موجب می شود تا: تنش های داخلی اضافی بر روی باند چسب ایجاد شود، چسب، سطوح چسبندگی و یا نواحی فاز داخلی تخریب شود و گاهی اوقات نواحی بین فازی جدید ایجاد شود. محیط سرویس دهی ممکن است موجب ایجاد تنش های اضافی بر روی اتصال چسب می شود که این مسئله می تواند اثر مثبت و یا منفی بر روی اتصال داشته باشد.
برای مثال، پیرشدگی یک چسب و یا ماده ی آب بندی در دماهای نسبتا بالا، از جمله مثال های این مسئله می باشد. در واقع چسب و یا ماده ی آب بندی، بسته به ترکیب شیمیایی واقعی، می تواند به دلیل اتلاف پلاستیسایزر یا افزایش اتصال های عرضی، شرینکیج کند. این مسئله همچنین به دلایلی موجب افزایش مدول الاستیسیته، می شود. به هر حال، اگر دما از دمای انتقال به حالت شیشه ای بیشتر شود، این احتمال وجود دارد که اثرات حاصله، متفاوت شود. در این حالت، این ماده است که منبسط می شود زیرا ضریب انبساط گرمایی بالاتری دارد. همچنین در این حالت مدول الاستیک نیز کاهش می یابد زیرا دمین های آزاد مولکولی افزایش می یابند. به هر حال، این مهم است که بدانیم این تغییرات می تواند همچنین تنش های موجود در اتصال را کاهش و یا افزایش دهد. این مسئله دلیل این موضوع است که چرا تنش های محیطی که در شکل 3 بخش سوم این مقاله نشان داده شده است، می تواند اثر مثبت و یا منفی بر روی استحکام اتصال، داشته باشد.
پیرشدگی همچنین موجب افزایش تخریب چسب، سطوح چسبندگی و یا نواحی بین فازی می شود. این مکانیزم های تخریب عموماً منجر به کاهش استحکام پیوستگی چسب می شود. برای مثال، حرارت دهی گرمایی ممکن است ابتدا موجب نرم شدن چسب شود و سپس حرارت دهی اضافی، می تواند موجب اکسیداسیون و پیرولیز مولکول های چسب شود. در معرض رطوبت قرار گرفتن، می تواند موجب تضعیف پیوستگی شود. این مسئله از طریق مکانیزم های واکنشی هیدرولیزی، رخ می دهد.
فاکتورهای محیطی ممکن است همچنین موجب تشکیل نواحی فاز میانی جدید شود. رطوبت محیطی همچنین می تواند موجب تشکیل لایه ی مرزی تضعیف شده در اتصال شود. رطوبت محیطی می تواند از میان چسب و زیرلایه نفوذ کند و در سطح مقطع قرار گیرد و همچنین موجب خوردگی سطوح چسبندگی فلزی شوند. مهاجرت پلاستیسایزر یا رطوبت همچنین با تداخل در ایجاد لایه ی مرزی، همراه است.
مکانیزم های خاص مربوط به مواد آب بندی
تمام حالت های شکستگی در چسب ها که در بخش های قبلی، توصیف شد، می تواند برای مواد آب بندی نیز بوجود آید. شکست چسبندگی، که در واقع یک کاهش استحکام پیوند میان ماده ی آب بندی و زیرلایه است، یک نوع متداول از شکست ها در مواد آب بندی، محسوب می شود. شکست های ایجاد شده در مواد آب بندی عمدتاً تحت شرایط زیر ایجاد می شود:
مواد آب بندی به طور مناسب فرموله نشده اند و بنابراین، به زیرلایه نمی چسبند.
یک لایه ی مرزی تضعیف شده در طی سرویس دهی ایجاد شده است و این لایه، موجب بروز شکست می شود.
مواد آب بندی ترد می شود و به قابلیت تحرک وابسته می شود که علت آن، عوامل محیطی می باشد. بنابراین، این ماده ی آب بندی ترد، دیگر قابلیت جبران حرکت های زیرلایه را ندارد و شکست به دلیل بزرگتر بودن استحکام پیوستگی از استحکام چسبندگی، رخ می دهد.
شکست پیوسته یک شکست در داخل بدنه ی ماده ی آب بندی است. این شکست در اغلب موارد با یک شکاف کوچک یا ایجاد سوراخ در ماده ایجاد می شود (شکل 5). این مسئله اغلب به دلیل این اتفاق می افتد که مواد آب بندی، موادی نرم هستند. با حرکت های تکراری و خارج از ظرفیت های حرکتی، مواد آب بندی از مرکز اتصال، گسسته می شوند. این شکست در واقع معادل شکست پیوسته در سطح اتصال می باشد. این متداول است که مواد آب بندی با استحکام بالا به همراه بتن، مورد استفاده قرار می گیرند. برخی مواد آب بندی دارای استحکام پیوسستگی بیشتری نسبت به بتن هستند مخصوصاً وقتی بتن به طور کامل عمل آوری نشده است. شکست نفوذی (شکل 5) اغلب در اتصال های ساختمانی مشاهده می شود. این شکست وقتی ایجاد می شود که مواد آب بندی گسترش یافته و به سمت پایین حرکت می کنند و سپس با کثیفی پر شوند. در طی سیکل های فشاری، این بسته های کثیفی موجب سایش سطحی مواد آب بندی می شود. این مسئله سپس منجر به ایجاد شکست می شود.
یکی دیگر از مسائل متداول در استفاده از مواد آب بندی، این است که خواص مهم یک ماده ی آب بندی در حالت کاملا عمل آوری شده، اندازه گیری می شود. اغلب به دلیل سیکل های دمایی مانند آن دسته از سیکل هایی که در روزهای گرم و یا سرد ایجاد می شود، منجر به حرکت زیرلایه می شوند و این حرکت موجب می شود تا ماده ی آب بندی، به طور کامل، عمل آوری نشود. تنش های بیش از حد و یا زود هنگام، معمولا منجر به شکست های پیوسته می شود. محلول مورد استفاده از مواد آب بندی با عمل آوری سریع استفاده می کند به نحوی که بخش قابل توجهی از عمل آوری، پیش از اولین سیکل بحرانی زیرلایه، اتفاق می افتد.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله : Handbook of adhesives and sealants/ Edxard M. Petrie
