پرایمرها و افزایش دهنده های چسبندگی (3)

افزایش دهنده های چسبندگی سیلانی
سیلان ها افزایش دهنده های چسبندگی تجاری هستند. این مواد به طور متداول برای افزایش چسبندگی میان مواد پلیمری و عوامل غیر آلی، استفاده می شوند. این مواد دارای شکل X_3 Si-R هستند که در اینجا، X یک گروه کلر یا آلکوکسی است و R یک گروه با عملکرد آلی می باشد. بخش با عملکرد آلی با رزین موجود در چسب یا محیط آلی موجود در آن، اتصال ایجاد می کند و بخش سیلانی نیز با سطح زیرلایه یا بخش غیر آلی پیوند ایجاد می کند. عوامل کوپلینگ سیلانی به طور متداول میان چسب ها و سطوح چسبندگی استفاده می شوند. همچنین این مواد در بین زمینه ی رزینی و الیاف معدنی موجود در کامپوزیت ها نیز استفاده می شوند. سطح مقطع ایجاد شده، موجب می شود تا:
یک پل شیمیایی میان سطح و پلیمر آلی و یا میان پلیمرهای آلی
یک مانع در برابر نفوذ رطوبت در سطح مشترک
انتقال تنش از رزین به زیرلایه یا الیاف معدنی و بهبود استحکام اتصال یا ماده ی بالک
توزیع مناسب الیاف و کاهش ویسکوزیته ی ظاهری در سیستم
این مواد شیمیایی معمولا به الیاف اعمال می شوند و یا بر روی سطح زیرلایه مالیده می شوند. محلول مایع حاوی این مواد شیمیایی معمولاً محلول های آبی بسیار رقیق هستند که تنها 0.01 تا 2 % وزنی سیلان دارند. استحکام پیوند در این حالت با غلظت افزایش می یابد تا غلظت به میزان 2 % برسد. سپس افزایش غلظت اثری بر افزایش استحکام ندارد. عوامل کوپل کننده ی سیلانی در حالت مایع با آب واکنش می دهند و تشکیل سیلان هیدراته می دهند. این ماده با سطح زیرلایه ی معدنی واکنش می دهد. سپس سیلان پلیمره می شود و اتصال بدین شکل، ایجاد می شود. این فرایند در شکل 1 نشان داده شده است. سیلان ها فیلم جذب شده ی مستحکمی از جنس پلی سیلوکسان بر روی سطح سرامیکی و فلزی تشکیل می دهند. یکپارچگی شیمیایی و مکانیکی این لایه ها، به طور قابل توجهی به پارامترهای استفاده مانند غلظت محلول، pH محلول و زمان و دمای خشک شدن وابسته است.
نقش زیرلایه ممکن است همچنین ایجاد اثر بر روی ساختار لایه ی پلی سیلاکسان می باشد. سیلان ها به عنوان پرایمر و با استفاده از روش های اسپری، برس کاری، غوطه وری و مالیدن بر روی سطح زیرلایه اعمال می شوند. ضخامت لایه عموماً کمتر از 0.1 میل است. حلال در سیستم سیلانی با خشک کردن نمونه در دمایی در گستره ی 122 تا 140 فارنهایت، خشک می شود. مزیت این روش نسبت به روش پرایمر، وجود مشکلات پایداری مینیمم در استفاده از مواد افزایش دهنده ی چسبندگی است. محدودیت استفاده از این مواد، این است که این روش ها، روش هایی دو مرحله ای هستند و این مشکل است که یک پوشش خاص سیلانی بدست آوریم، مگر آنکه این مواد به صورت پیگمنت اعمال شوند. بنابراین، پوشش دهی کامل سطحی ممکن است با شک و شبهه مواجه باشد.
آزمون های انجام شده نشان داده است که آرایه های سیلانی به خودی خود در لایه هایی هستند که درای میزان نظم بالایی هستند. این بخش ها اثر بزرگی بر روی سطح زیرلایه دارند. نظم مولکولی به خودی خود در جهت عمود بر سطح می باشد و لایه های متوالی نیز خود را به صورت آرایه ای مرحله ای ایجاد می کند. یک سطح زبر می تواند ابتدا به لایه ی منظم تقسیم شود. این لایه از تشکیل لایه ی ثانویه جلوگیری می کند. ضخامت فاز میانی سیلانی اثر مهمی بر روی کارایی مکانیکی دارد. لایه های نازک اما پیوسته موجب می شوند تا اتصال چسبندگی با دوام بیشتری تشکیل گردد.
سه مکانیزم اصلی برای بهبود چسبندگی از طریق عوامل کوپلینگ، پیشنهاد شده است. توصیف کلاسیک این است که گروه های عاملی موجود بر روی مولکول سیلان با رزین چسب، واکنش می دهند. یکی دیگر از احتمال ها، این است که لایه ی سطحی پلی سیلوکسان دارای ساختاری متخلخل می باشد و از این رو، چسب مایع در داخل آن نفوذ می کند. پس از خشک شدن، یک ناحیه ی فاز میانی سخت تشکیل می شود. مکانیزم سوم ممکنه، تنها در مورد سطوح چسبندگی پلیمری است. در واقع این ممکن است که حلال مورد استفاده موجب باز شدن ساختار مولکولی سطح زیرلایه شود و از این رو، اجازه دهد تا سیلان در داخل ساختار سطح چسبندگی، نفوذ کند.
فاز میانی عوامل کوپل کننده، ممکن است نرم یا سخت باشد و این فاز می تواند بر روی خواص مکانیکی مربوط به فاز سطح مشترک، اثرگذار باشد. برای مثال، یک فاز میانی نرم می تواند به طور قابل توجهی خواص خستگی و سایر خواص را بهبود دهد. لایه ی میانی نرم موجب کاهش غلظت تنش در چسب و در زمینه ی رزینی می شود اگر سیستم یک کامپوزیت باشد. در کامپوزیت ها، یک لایه ی میانی صلب موجب بهبود انتقال تنش رزین به الیاف می شود و استحکام برشی سطح داخلی را بهبود می دهد. عوامل کوپلینگ عموماً موجب افزایش چسبندگی میان زمینه ی رزینی و زیرلایه می شود و بنابراین، موجب افزایش انرژی شکست مورد نیاز برای ایجاد یک ترک می شود. به هر حال، پیوند مشابه از ایجاد خمش در زمینه، جلوگیری می کند. به دلیل این کاهش در ظرفیت پارگی، سطح مشترک قادر به مقاومت در برابر اشاعه ی ترک در زمانی نیست که یک ترک تشکیل شده است.
یک تعداد از مواد افزایش دهنده ی چسبندگی وجود دارند. آنها نسبت به همدیگر، از لحاظ میزان واکنش پذیری، متفاوت هستند. سیلان ها ممکن است با آمین ها، اپوکسی، مرکاپتان و سایر عوامل ایجاد شوند. برخی از مثال ها در جدول 1 آورده شده است. در حقیقت، تمام الیاف شیشه ای مورد استفاده در کامپوزیت های مربوطه، با سیلان پرداخت می شوند. خواص فیزیکی منتج شده و مقاومت این کامپوزیت ها در برابر تخریب با آب، به طور قابل توجهی با استفاده از عوامل کوپلینگ، بهبود می یابد. جدول 2 نشاندهنده ی اثر عملیات سیلانی برروی الیاف شیشه ای و تغییر استحکام خمشی این کامپوزیت ها، می باشد. ویژگی مقاومت در برابر رطوبت مربوط به ترکیبات قالب گیری شده نیز با استفاده از عملیات سطحی سیلانی، بهبود می یابد. استفاده از عوامل افزایش دهنده ی چسبندگی سیلانی بر روی فیلرهای ولاستونیتی موجود در ترکیبات قالب گیری شده از پلی استر ترموپلاستیک نیز موجب بهبود خواص استحکام خمشی این مواد می شود. سیلان ها همچنین به طور مؤثر موجب بهبود چسبندگی فلزاتی همچون آلومینیوم، فولاد، کادمیم، مس و روی می شوند. جدول 3 نشاندهنده ی اثر نسبی نوع زیرلایه بر روی اثربخشی عوامل کوپلینگ سیلانی در بهبود چسبندگی می باشد. این مسئله باید مورد توجه قرار گیرد که زیرلایه های نرم و با انرژی بالا، زیرلایه های مناسبی برای اتصال سیلان هستند. زیرلایه های زیر و غیر پیوسته دارای مزیت های اندکی هستند. افزایش دهنده های چسبندگی سیلانی موجب افزایش استحکام پیوند اولیه و همچنین پایدارسازی سطح می شوند و بدین صورت، موجب افزایش کارایی اتصال در محیط های خورنده می شوند. اثر افزایش دهنده های چسبندگی سیلانی بر روی دوام اتصال فولاد اتصال یافته با چسب اپوکسی، در شکل 2 نشان داده شده است. عوامل کوپلینگ بر پایه ی سیلان، همچنین قادر به افزایش مقاومت محیطی آلومینیوم، تیتانیم و فولاد ضد زنگ در اتصال های مربوطه، می باشند. اگر چه بهترین نتایج می تواند با استفاده از سیلان ها به عنوان پرایمر، ایجاد شود، این مواد می توانند به چسب ها اضافه شوند و موجب ایجاد یک سری اثرات شوند. مقادیر استحکام برشی لبه روی لبه که در جدول 4 قابل مشاهده می باشد، نشاندهنده ی بهبود در استحکام پیوند در زمانی است که عوامل کوپلینگ سیلانی در فرمولاسیون چسب، استفاده شده است. این مسئله مخصوصاً در مورد نیتریل های فنولیکی، مشهود است. روش آمیزه ی داخلی برای اعمال سیلان ها، نیازمند افزودن 0.1 تا 2.0 % وزنی سیلان به زمینه ی پلیمری (پیش از اعمال) می باشد. مزیت این روش، این است که دیگر نیازی به پوشش دهی زیرلایه، وجود ندارد. محدودیت اصلی این روش، در واقع مشکلات پایداری است که در زمینه ی ذخیره سازی ، مشکل آفرین می باشد. این مسئله به دلیل هیدراسیون و پلیمریزاسیون اتفاق می افتد. شکل 3 نشاندهنده ی بهبودهایی است که در استحکام پوسته ای T مربوط به آلومینیومی است که با استفاده از چسب اصلاح شده با سیلان، اتصال یافته اند. سیلان ها همچنین به طور متداول در عوامل آب بندی مورد استفاده قرار می گیرند تا بدین صورت، چسبندگی آنها بهبود یابد. افزودن تنها 0.25 % وزنی سیلان به چسب، موجب می شود تا استحکام پوسته ای شدن خشک و تر مواد آب بندی بهبود یابد. افزایش دهنده های چسبندگی سیلانی مورد استفاده در چسب های اپوکسی نیز موجب بهبود استحکام و مقاومت در برابر رطوبت اتصال هایی می شود که با این چسب ها، به هم متصل شده اند. سیالان های متداول به میزان مواد جامد بالا و چسبندگی حلال و اعمال مواد آب بندی محدود می باشند که در واقع در این حالت، رطوبت در زمان اعمال، وجود ندارد.
تیتانات ها، زیرکونات ها و مواد دیگر
در حالی که سیلان ها، عوامل افزایش دهنده ی چسبندگی غالب هستند، استفاده از تیتانات ها، زیرکونات ها و سایر عوامل افزایش دهنده ی چسبندگی نیز در حال افزایش است. این عوامل کوپلینگ همچنین موجب افزایش استحکام ضربه و سایر خواص مکانیکی در کامپوزیت ها می شود. مشابه سیلان ها، آنها با گروه های هیدروکسیل سطحی، واکنش می دهند اما در آنها، پلیمیزاسیون تراکمی و ایجاد شبکه ی پلیمری در سطح مشترک، وجود ندارد. افزایش دهنده های چسبندگی که بر پایه ی تینانیم و زیرکونیم هستند، موجب بهبود چسبندگی فیلر به پلیمر می شوند و موجب می شوند تا آلومینیوم برای ایجاد اتصال های چسبنده، آماده شود.
افزایش دهنده های چسبندگی تیتاناتی، می توانند یک عملکرد دوگانه داشته باشند و موجب بهبود اتصال و قابلیت عملیاتی شوند. تیتانات ها اغلب برای اصلاح ویسکوزیته ی سیستم حاوی پرکننده، استفاده می شوند. این نشان داده شده است که یک درصد اندک از تیتانات ها در سیستم های رزین حاوی پرکننده، می تواند موجب کاهش قابل توجه در ویسکوزیته شوند. بنابراین، تیتانات ها، موجب بهبود خواص و کاهش هزینه های سیستم شود، بدون آنکه اثر منفی بر روی ویسکوزیته ی سیستم ایجاد گردد. استحکام پیوند بهبود یافته زیرلایه های هالوکربنی و پایداری هیدرلیتی با استفاده از تیتانات ها، ادعا شده است.
ساختار تیتاناتی ممکن است به گونه ای تغییر کند که خواص مناسبی از طریق 6 عملکرد ایجاد شود. این عملکردها، بر اساس ساختار 〖(RO)〗_m-Ti-〖(O-X-R_2-Y)〗_n ایجاد می شود. در حقیقت عامل 〖(RO)〗_m یک بخش با قابلیت هیدرولیز است که به زیرلایه ی معدنی متصل می شود (شکل 4). این ماده همچنین موجب کنترل پراکندگی، چسبندگی، ویسکوزیته و خاصیت هیدروفوبیک می شود. گروه X در حقیقت موجب افزایش محافظت در برابر خوردگی و مقاومت در برابر اسید می شود و بدین صورت، اثرات آنتی اکسیدانی ایجاد می کند. این مسائل به شیمی ماده وابسته است. گروه R_2 در زنجیره های هیدروکربنی طولانی گیر می کند و از طریق نیروهای واندروالسی به این زنجیره ها، می چسبد. گروه Y موجب می شود تا واکنش پذیری حالت ترموست این ماده فعال باشد و بتواند پرکننده به پلیمر بچسبد. مثال هایی از عوامل کوپلینگ تیتاناتی، در جدول 5 نشان داده شده است. تکنولوژی نئو آلکوکسی جدید اجازه می دهد تا عوامل کوپلینگی به صورت مایع، پودر و قرصی شکل، تهیه شود و بدین صورت عوامل رنگی شود بدون آنکه نیازی به انجام مراحل پیش آماده سازی باشد. دوز نمونه وار مربوط به استفاده از این مواد در پلیمرها، 0.2 % می باشد. این عوامل همچنین برای آلیاژهای آلومینیوم نیز مورد استفاده قرار می گیرند.
عوامل کوپلینگ زیرکوناتی دارای ساختاری مشابه با ساختار تیتانات ها، هستند. پروپیونات زیرکونیوم به عنوان عوامل افزایش دهنده ی چسبندگی در فرمولاسیون جوهرهای چاپ مورد استفاده برای چاپ بر روی پلی اولفین ها، استفاده می شود. این اعتقاد وجود دارد که این عوامل کوپلینگ در جوهرها، موجب تشکیل پیوندهای هیدروژنی با نیتروسلولز می شوند. گروه های سطحی COOH احتمالا به مکان هایی از سطح پلی اولفین می چسبند. مشابه تیتانات ها، عوامل کوپلینگ زیرکوناتی نیز موجب بهبود ویژگی های پراکنده سازی پرکننده های مورد استفاده در سیستم های پلیمری می شوند. سایر مثال ها از عوامل افزایش دهنده ی چسبندگی زیرکوناتی و کاربردهای آنها در جدول 5 آورده شده است.
کمپلکس های کروم با واکنش کلرید کروم با اسید متا اکریلات، تشکیل می شوند. بخش اکسید کروم یک افزایش دهنده ی چسبندگی کروم دار، با زیرلایه واکنش می دهد در حالی که بخش متااکریلاتی، با رادیکال های آزاد ایجاد شده در سطح لایه ی خارجی، واکنش می دهد. افزایش دهنده های چسبندگی بر پایه ی کروم به صورت متداول به عنوان پرایمر در فویل های آلومینیومی و افزایش استحکام و دوام سطح مشترک آلومینیوم/ پلی اتیلن، استفاده می شود. پلی اتیلن معمولا به صورت حرارتی بر روی آلومینیوم اعمال می شود و در کاربردهای بسته بندی، مورد استفاده قرار می گیرد. سایر انواع عوامل کوپلینگ، عبارتند از: 1و 2 دی کتون برای فولاد، ترکیبات نیتروژن هتروسیکلیک مانند بنزوتریازول برای مس و برخی از ترکیبات کبالت برای ایجاد اتصال صفحات برنجی به سیم تایرهای رابری می باشد.
منبع:
Handbook of adhesives and sealants/ Edxard M. Petrie
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.