آمادگی سطحی در چسب ها و مواد آب بندی (3)

انتخاب عملیات سطحی

میزان آماده سازی سطح چسبندگی به شرایط محیطی و استحکام مورد انتظار اتصال، وابسته می باشد. آماده سازی سطحی می تواند با استفاده از ترکیبی از شستشو، سایش مکانیکی و تمیزکاری شیمیایی و همچنین اسید شویی، انجام شود. در بسیاری از کاربردهای با استحکام پایین و متوسط، آماده سازی سطحی گران قیمت، ضرورتی ندارد. به هر حال، در جایی که استحکام پیوند ماکزیمم مورد نیاز است و همچنین کارایی و قابلیت اطمینان بالاتری مد نظر باشد، این ضروری است که سطح به خوبی و با هزینه های بیشتری عمل آوری شود. این فرایندهای بهینه سازی شده، همچنین نیازمند زمان های تولید بالاتری هستند و باید مسائل زیست محیطی و دغدغه های ایمنی نیز در مورد آنها، لحاظ گردد. فاکتورهای زیر باید در انتخاب فرایند مناسب آماده سازی، در نظر گرفته شود:
1. استحکام نهایی و اولیه ی مورد نظر برای پیوند
2. میزان کارایی مورد نظر و مسائل محیط زیستی
3. میزان و نوع آلودگی موجود بر روی سطح اتصال
4. نوع سطح چسندگی و طبیعت سطح
5. فاکتورهای تولید مانند هزینه ها، زمان سیکل کاری، ایمنی و مسائل محیط زیستی، میزان سازگاری، آموزش، ارزیابی و کنترل
هر عملیات سطحی مفید برای یک اتصال آب بندی و یا چسبی، نیازمند یک یا چند عملیات زیر است: تمیزکاری، سایش سطحی یا اصلاح سطحی و افزایش فعالیت سطحی (شکل 1). عملیات های سطحی پسیو موجب تغییر در شیمی سطح نمی شوند بلکه تنها موجب تمیزکاری و حذف لایه های سطحی سست می شوند (مثلا شستشو با حلال، سایش مکانیکی). عملیات های سطحی فعال موجب یک تغییر شیمیایی در سطح می شوند (مثلا آنودایز کردن، اچ کردن، اعمال پلاسما). جدول 1 و 2 عملیات های سطحی مورد استفاده در سطوح فلزی و پلیمری را بیان می کند. برخی اوقات بیش از یک فرایند سطحی برای عمل آوری سطح مورد نظر، ضروری می باشند. یک فرایند 4 مرحله ای که اغلب برای ایجاد اتصال های چسبی استفاده می شود، عبارتست از چربی زدایی، سایش مکانیکی، چربی زدایی ثانویه و عملیات شیمیایی و یا اچ کردن. جدول 3 نشاندهنده ی استحکام پیوند نسبی است که در زمان اتصال آلومینیوم با چسب، مشاهده شده است. توجه کنید که وقتی استحکام پایین و متوسط مورد نیاز است، تنها یک عملیات آماده سازی سطحی حداقلی، مورد استفاده قرار می گیرد. توالی این مراحل عملیات سطحی مهم می باشد. در واقع زیرلایه در ابتدا چربی زدایی می شوند تا مواد آلاینده ی آلی از سطح آن، زدوده شود. سپس این زیرلایه تحت سایش مکانیکی قرار داده می شود تا لایه های مرزی سخت تر، از بین روند. یک مرحله ی چربی زدایی ثانویه سپس انجام می شود تا بدین صورت باقیمانده ی مواد آلی از روی سطح این مواد، زدوده شود. توجه کنید که مرحله ی چربی زدایی ابتدایی ضروری است در غیر اینصورت، آلودگی ها بوسیله ی فرایند سایش مکانیکی به عمق نمونه نفوذ می کنند. محیط سایش به خودی خود می تواند منجر به آلوده شدن سطحی شود و یک لایه ی مرزی ضعیف در سطح ایجاد کند. این فرایند به منظور تغییر طبیعت شیمیایی و فیزیکی زیرلایه، انجام می شود. هدف آن نیز ایجاد ترشوندگی بهتر و ایجاد خاصیت پسیو در سطح است به نحوی که دیگر لایه ی مرزی ضعیفی وجود نداشته باشد.
جدول 4 اثر ترکیبات مختلف عملیات های آماده سازی سطحی مختلف بر روی استحکام برشی لبه روی لبه را نشان می دهد. با استفاده از این ترکیب از چسب و سطح چسبنده، و همچنین شرایط فراوری، استحکام پیوند بهینه ای (3000 psi) برای آلومینیوم ایجاد می شود که در زمان اعمال عملیات سطحی چربی زدایی با بخار، سایش و تمیزکاری قلیایی و اسید شویی، ایجاد می شود. به هر حال، شستشوی ساده با حلال و سایش مکانیکی منجر به استحکام پیوند متوسط (1500- 2000 psi) ایجاد می شود. ارزیابی قطعات عمل آوری شده پیش و بعد از اتصال دهی
اهداف متداول مربوط به عملیات سطحی در واقع ایجاد یک سطح تمیز و با قابلیت ترشوندگی، می باشد. بدبختانه، هیچ رویه و یا ابزار استانداردی برای این مسئله وجود ندارد که به ما بگوید در چه زمانی سطح تمیز است. بنابراین، واژه ی "تمیز" به سختی تعریف می شود. می توان یک سطح تمیز را به عنوان سطحی تعریف کرد که وقتی با چشم غیر مسلح به آنها نگاه می کنیم، هیچ علامتی از خاک و یا مواد خارجی بر روی آن وجود نداشته باشد. از انجایی که این تعریف بسیار توصیفی است، کیفیت سطحی یجاد شده بعد از اعمال عملیات سطحی، در نهایت به کنترل فرایند و به میزان آموزش اپراتور، وابسته می باشد. این کنترل های فرایندی عبارتند از ارزیابی پارامترهای حیاتی مانند میزان خلوص حلال، دما و زمان، نگهداری و تمیزکاری وسایل، تعداد قطعات انباشته شده و یا ناحیه ی اتصالی است که با یک محلول مشابه، عمل آوری شده اند. یکی از مسائل مهم تر، تمیز بودن بخش ها پیش از اعمال چسب و یا ماده ی آب بندی می باشد. البته تهیه ی نمونه های آزمایشی و انجام آزمایش بر روی آنها، نیز می تواند به تشخیص خواص این اتصال ها، کمک کند.
بر روی سطوح بدون تخلخل، یک روش مفید و سریع برای انجام میزان اثربخشی آماده سازی سطحی، استفاده از آزمون آب (water-break test) می باشد. در این روش، اگر آب مقطر بر روی گسترش نیابد و زیرلایه را تر نکند، مراحل آماده سازی سطحی باید تکرار شود. یک عدم یکنواختی در پخش شدن آب بر روی سطح، می تواند نشانه ای از وجود یک ناحیه ی کثیف بر روی سطح باشد. اگر آب سطح را تر کند و به صورت یک فیلم یکنواخت بر روی سطح قرار گیرد، عملیات سطحی مؤثر بوده است. به هر حال، این آزمون تنها اطلاعات کلی در مورد شرایط سطحی به ما می دهد. برای تفسیر کمی میزان تمیزی سطح زیرلایه، می توان همچنین زاویه ی تماس یک قطره را اندازه گیری کرد که بر روی سطح قرار گرفته است. این قطره ی مایع می تواند آب مقطر و یا هر مایعی باشد که کشش سطحی آن، مشابه با چسب یا ماده ی آب بندی است.
یکی دیگر از آزمون های مورد استفاده برای تعیین میزان تمیزی سطحی زیرلایه، در واقع شستشو با حوله ی تمیز و سفید می باشد تا بدین صورت کثیفی های به جامانده بر روی سطح، جذب حوله شود. این روش اغلب برای بررسی سطوح مسطحی استفاده می شود که به سهولت تمیزکاری نمی شوند و هندسه ای پیچیده دارند. به طور مشابه، یک نوار می تواند بر روی سطح اعمال شود و پس از برداشتن آن، میزان تمیز بودن بخش زیرین این نوار، بررسی شود. اشکال خاصی از آلودگی که عمدتاً از نوع روغن ها می باشند، می توانند به سهولت زیر نور فرابنفش، مشاهده و شناسایی شوند. یک فرایند تشخیص فرابنفش پیشنهاد شده است که در آن، نیازمند آغشته سازی با روغن فلئورسنت، تمیزکاری ساده و سپس بررسی سطح زیر نور فرابنفش، می باشد.
میزان تمیز بودن سطح می تواند از طریق تابش فوتوالکترونی و یا اندازه گیری انعکاس نیز، تعیین شود. میزان انعکاس بیشتر، نشاندهنده ی تمیزی بیشتر سطح است.
هدف انجام عملیات سطحی بر روی سطح چسبندگی پیش از اعمال اتصال، در واقع بدست آوردن اتصالی است که ضعیف ترین بخش آن، لایه ی چسب باشد و نه سطح مشترک آنها. بنابراین، در اتصال هایی که به صورت مخرب مورد بررسی قرار می گیرند، باید به حالت شکست توجهی خاص کرد. اگر شکست به صورت پیوسته رخ داده است در داخل لایه ی چسب و یا سطح چسبندگی)، عملیات سطحی ممکن است بهینه بوده باشد. اگر یک حالت چسبندگی در شکست ظاهر شود و شکست در سطح مشترک اتفاق افتاده باشد، این فرض می شود که شرایط بهینه ی آماده سازی سطحی، وجود نداشته است. این مسئله همچنین تشخیص داده شده است که نمونه ها ممکن است در ابتدا به صورت پیوسته شکسته شده باشند و سپس شکست بین سطحی، پس از یک دوره ی زمانی، مشاهده شده باشد. در این موارد، توسعه ی یک لایه ی مرزی ضعیف می تواند عامل بروز این مشکل باشد. هم آماده سازی چسب و هم سطح، بر روی کارایی و استحکام اولیه ی پیوند مؤثر است.
تعادل زیرلایه
بعد از اینکه عملیات های سطحی کامل شد، زیرلایه ها ممکن است برای انجام عملیات اتصال، ذخیره سازی شوند. ذخیره سازی نمونه وار برای انواع مختلف فلزات که با عملیات های سطحی مختلف، عمل اوری شده اند، در جدول 5 آورده شده است. ماکزیمم زمان مجاز میان اعمال عملیات سطحی و اعمال چسب، به میزان سرعتی وابسته است که این زیرلایه در محیط تغییر می کند. برای مثال، آلیاژهای مس پس از تمیزکاری سطحی، سریعاً لایه ی اکسیدی بر روی خود تشکیل می دهند. به عبارت دیگر، لایه های اکسید آلومینیوم بسیار سریع تشکیل می شوند و عموماً به سختی برروی سطح می چسبند. این لایه ها، هیچ مشکلی برای چسبندگی چسب، ایجاد نمی کنند. عملیات های سطحی انجام شده بر روی مواد پلیمری خاص، به سرعت باز می گردد زیرا این سطوح، سطوحی پویا هستند. به دلیل عمر مفید کوتاه بسیاری از مواد عمل آوری شده، عملیات اتصال معمولاً باید هر چه سریع تر پس از عملیات تمیزکاریف بر روی سطح انجام شود.
اگر ذخیره سازی طولانی مورد نیاز باشد، یکی از کارهای زیر را می توان انجام داد:
1. قطعات باید به دقت محافظت شوند و به صورت کنترل شده، ذخیره سازی شوند.
2. یک پرایمر آلی انطباق پذیر به صورت پوشش بر روی زیرلایه ی عمل آوری شده، پوشش داده شود. این پرایمر از سطح در طی ذخیره سازی محافظت می کند. بسیاری از سیستم های پرایمر مورد استفاده به این منظور، به همراه چسب ها ، به فروش می رسند. پرایمرهای خاصی نیز برای جلوگیری از خوردگی فرموله شده اند و از این رو، می توانند اتصال را در برابر شرایط محیطی، محافظت کنند.
روش های آماده سازی سطحی پسیو
فرایندهای آماده سازی سطحی که در این بخش توصیف می شوند، فرایندهای پسیو نامیده می شوند. این فرایندها، به صورت فعال موجب تغییر در طبیعت شیمیایی سطح، نمی شوند. فرایندهای پسیو تنها موجب تمیزکاری زیرلایه می شوند و لایه های مرزی سست را از بین می برند. شستشو با حلال، تمیزکاری شیمیایی و سایش مکانیکی از جمله فرایندهای پسیو متداول می باشند. بسته به میزان چسبندگی و کارایی مورد نظر، فرایندهای پسیو ممکن است یا تنها با استفاده از فرایندهای سطحی اولیه و یا با استفاده از عملیات های سطحی پیچیده تر، انجام شوند.
فرایندهای مکانیکی پسیو از روش های فیزیکی و مکانیکی برای حذف برخی از بخش های سطحی و آلودگی های سطحی، استفاده می کنند. بنابراین، نتیجه ی کار، یک سطح تمیز، تازه و از لحاظ شیمیایی فعال، می باشد. عملیات های سطحی مکانیکی معمولاً به خودی خود، کافی نیستند. برخی از اشکال تمیزکاری با استفاده از مواد شیمیایی و یا حلال ها، نیازمند این هستند که آلودگی های سطحی قبلا از روش سطح، برداشته شده باشند. تمیزکاری شیمیایی و یا با استفاده از حلال، پیش از سایش مکانیکی انجام می شود و سپس به منظور حذف گردوغبار ناشی از سایش نیز استفاده می شود. ماسه پاشی، استفاده از ساینده ها، برس کاری با برس سیمی، گریت پاشی، ساییدن و ماشین کاری، مثال های متداولی از فرایندهای مکانیکی هستند. سایش مکانیکی یکی از بخش های مهم تلقی می شود زیرا این روش موجب افزایش آن بخشی از مساحت سطح زیرلایه می شود که در اختیار چسب است. همچنین سایش موجب می شود تا لایه های مرزی سست، از بین برود، اگر چه فرایندهای سایش مکانیکی دارای هزینه های بالایی هستند. البته باید توجه داشت که سطح با استفاده از عوامل ساینده، آلوده نشود. بنابراین، محیط سایش باید اغلب مورد بررسی قرار گیرد.
فرایندهای تمیز کاری شیمیایی که جزء روش های پسیو محسوب می شوند، به ندرت موجب حذف آلودگی های سطحی واضح مانند روغن ها، گریس و اثر انگشت می شوند. در واقع چربی زدایی با بخار، شستشو با حلال، شستشو با مواد قلیایی و عوامل دیگر و استفاده از تمیزکاری التراسونیک، مثال های نمونه وار از این روش ها، می باشد. مشابه هر فرایندی که در آن، ازمحلول های تمیزکاری استفاده می شود، وجود آلودگی های تدریجی و ناگهانی، همواره ممکن است و باید در بخش کنترل کیفیت، مورد توجه قرار گیرد. یک سری توسعه های اخیر در این زمینه وجود دارد که بدین وسیله، ایمنی همچنین مسائل محیط زیستی دلیل عمده ی توسعه ی آنها بوده است. ادوات و فرایندهای جدید، برای حذف و یا کاهش انتشار مواد آلاینده، توسعه یافته است.

عملیات های سطحی شیمیایی و پسیو

عملیات های سطحی شیمیایی و پسیو موجب حذف خاک و مواد آلی از سطح می شوند. این فرایندها شامل فرایندهای متداولی همچون شستشو با حلال، چربی زدایی با بخار و تمیزکاری شیمیایی می باشد. آلودگی های موجود بر روی سطح که بوسیله ی تمیزکاریی سطحی پسیو، از بین می روند، عبارتند از کثیفی و گردوغبار، روغن، مواد رهاساز قالب، رطوبت، گریس، اثر انگشت وسایر مواد خارجی که ممکن است بر روی سطح، وجود داشته باشند. تمام روش های تمیزکاری با تهییج بهبود می یابند. این تهییج ها، می تواند از نوع مالشی، هم زدن حلال و یا استفاده از تحرک التراسونیک باشد. جدول 6 یک شاخص در مورد تغییرات ایجاد شده در تمیزی سطح به عنوان تابعی از محیط تمیزکاری و میزان تهییج ایجاد شده، را نشان می دهد. بیشتر روش های تمیزکاری نیازمند استفاده از حلال و مواد شیمیایی هستند. بنابراین، ایمنی و ملاحظات مربوط به محیط زیست، از جمله مواردی است که اهمیت آنها در درجه ی اول می باشد. سمیت، آتش گیری، تطابق مواد و میزان خطرناک بودن از جمله فاکتورهای مهم ایمنی است که باید در انتخاب نوع حلال و محیط تمیزکاری، به آنها توجه شود. فاکتورهای محیطی که باید در نظر گرفته شوند، عبارتند از انتشار مواد فرار و میزان ضایعات تولیدی، ذخیره سازی و روش دفن آنها.
منبع:
Handbook of adhesives and sealants/ Edxard M. Petrie
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.