روش های آزمون استاندارد برای اتصال های چسبی و آب بندی (4)

آزمون پوسته ای شدن

یک اتصال با طراحی مناسب موجب می شود تا تنش های پوسته ای شدن، مینیمم شود اما تمام نیروهای پوسته ای کننده ، نمی توانند از بین بروند. علت این مسئله، این است که چسب ها از لحاظ مقاومت در برابر پوسته ای شدن، ضعیف هستند. بنابراین، انجام آزمونی برای بررسی میزان مقاومت چسب در برابر پوسته ای شدن، ضروری است. آزمون پوسته ای شدن شامل جدا کردن یک سطح چسبنده از سطح دیگر می باشد که این سطوح می توانند صلب یا انعطاف پذیر باشند. نمونه ها معمولاً با زاویه ی 90 تا 180 درجه جداسازی می شوند. انواع متداول آزمون های پوسته ای شدن، عبارتند از آزمون پوسته ای شدن T، آزمون پوسته ای شدن غلطک شناور و روش های درام بالارونده می باشد. نمونه های این آزمون در شکل 1 آورده شده است. مقادیر منتج شده از هر روش آزمون می تواند تفاوت های قابل توجهی داشته باشند. در اینجا، این مهم است که روش آزمون برای نمونه های مقایسه ای یکسان باشد. مقادیر مربوط به استحکام پوسته ای شدن به صورت واحد پوند بر اینچ طولی (piw) گزارش داده می شود. این آزمون می تواند انحراف های قابل توجهی نسبت به سایر آزمون ها داشته باشد. حتی در طی آزمون نیز مقادیر استحکام پوسته ای شدن به نوع چسب، سطوح چسبندگی و شرایط آزمون وابسته می باشد.
در آماده سازی نمونه ها، باید مراقب باشیم که خطوط پیوند عاری از حفره باشد. یک نمودار بار نمونه وار برای آزمون پوسته ای شدن T در شکل 2 آورده شده است. استحکام پوسته ای شدن به عنوان مقدار متوسط بخش مرکزی نمودار در نظر گرفته می شود. نرخ بارگذاری پوسته ای شدن در مورد بارگذاری برشی لبه روی لبه، مهم می باشد. این نرخ باید مشخص باشد و به خوبی کنترل شود. نرخی که در آن، بارگذاری اعمال می شود، معمولاً بر اساس رویه ی استاندارد ASTM تدوین می شود. ضخامت چسب دارای اثر قابل توجهی بر روی مقادیر استحکام پوسته ای شدن دارد (مشابه با زاویه ی پوسته ای شدن). اثرات نسبی این پارامترها همچنین به الاستیسیته ی چسب وابسته می باشد.

شکل 3 نشاندهنده ی اثر سرعت پوسته ای شدن و زاویه ی پوسته ای شدن بر روی استحکام چسب های اپوکسی می باشد. در مورد چسب های الاستومری، خطوط چسبندگی ضخیم تر عموماً منجر به استحکام پوسته ای شدن بالاتر می شود. ویژگی های ازدیاد طول این چسب ها، موجب می شود تا ناحیه ی پیوند بالاتری وجود داشته باشد و این مسئله منجر به جذب بار اعمال شده می شود. در مورد چسب های صلب، خط پیوند ضخیم تر موجب می شود تا استحکام پوسته ای شدن کاهش یابد (شکل 4 برای چسب های اپوکسی). علت این مسئله، ایجاد تنش در لبه های پیوند می باشد. استحکام پوسته ای شدن همچنین تابعی از سفتی یا مدول زیرلایه و چسب می باشد. این مورد همچنین تابعی از ضخامت دو زیرلایه ای که می خواهیم آنها را به هم پیوند دهیم.

آزمون پوسته ای شدن T در استاندارد ASTM D 1876 توصیف شده است. نمونه های پوسته ای شدن T در شکل 5 نشان داده شده است. عموماً این روش آزمون در زمانی استفاده می شود که هر دو سطح چسبندگی انعطاف پذیر باشد. به دلیل اینکه زاویه ی پوسته ای شدن غیر قابل کنترل است و به خواص سطوح چسبندگی و چسب، وابسته است، این آزمون قابلیت تکرارپذیری کمتری نسبت به آزمون های دیگر پوسته ای شدن دارد. برای انجام این آزمون حداقل 10 نمونه لازم است در حالی که بیشتر آزمون های ASTM تنها نیازمند 5 نمونه است. آزمون پوسته ای شدن غلطک شناور در زمانی استفاده می شود که یکی از سطوح چسبندگی، انعطاف پذیر و دیگری صلب باشد. غشاء انعطاف پذیر در داخل یک ساختار قرقره ای پوسته ای می شود تا بدین صورت زاویه ی تماس پوسته ای شدن، حفظ شود. بنابراین مقادیر بدست آمده از این آزمون عموماً تکرارپذیری بیشتری نسبت به روش آزمون T دارد. مقاومت پوسته ای شدن بدست آمده از روش غلطک شناور بر اساس استاندارد ASTM D 3167 تدوین می شود. نمونه های آزمون پوسته ای شدن درام بالارونده در استاندارد ASTM D 1781 توصیف شده است. این روش آزمون در اصل برای تعیین استحکام پوسته ای شدن صفحات فلزی بسیار نازک است که بر روی هسته ای لانه زنبوری قرار داده شده است. اتصالات مربوط به این روش کمک می کند تا زاویه ی پوسته ای شدن به نحوی کنترل شود که قابلیت تکرارپذیری بالا رود.
یک تغییر در آزمون پوسته ای شدن T در شکل 6 قابل مشاهده می باشد. این آزمون در استاندارد ASTM D 903 آورده شده است. این روش عموماً در زمانی مورد استفاده قرار می گیرند که انعطاف پذیری به حدی است که اجازه ی چرخش 180 درجه ای به نقطه ی بارگذاری را بدهد. این آزمون نتایجی ارائه می دهد که نسبت به روش آزمون T قابلیت تکرار بیشتری دارد. علت این مسئله، این است که پوسته ای شدن، ثابت است اگر چه این مسئله هنوز هم به طبیعت سطوح چسبندگی وابسته می باشد. کارهای قابل توجهی توسعه ی یک سری فرمول برای اتصال های انجام شده در زمینه ی نوارهای انعطاف پذیر، بوسیله ی D. H. Kaeble و J. J. Bikerman انجام شده است. شکل 7 نشاندهنده ی معادلات مربوط به نیروهای پوسته ای کننده می باشد. یک بررسی بر روی فرمول Kaeble نشاندهنده ی این است که نیروی پوسته ای کننده به صورت مستقیم با ضخامت چسب در ارتباط است. به هر حال، این کار نشاندهنده ی روابط لگاریتمی می باشد (شکل 8). مطالعات گسترده ای بر روی اثرات پخت بر نیروی پوسته ای شدن، انجام شده است. زاویه ی پوسته ای شدن و استحکام اتصال به نوع پخت و ضخامت چسب، وابسته می باشد.

آزمون کلیواژ

آزمون کلیواژ با بررسی یکی از انتهاهای یک اتصال صلب و اندازه گیری نیروی مورد نیاز برای ایجاد گسستگی در آن، انجام می شود. آزمون های کلیواژ در جاهایی استفاده می شود که هر دو سطح چسبندگی صلب باشند. این آزمون همچنین یک میزان کمی از تافنس شکست چسب می باشد. داده های بدست آمده نیز برای استفاده در طراحی های مهندسی مناسب می باشند. آزمون کلیواژ از نمونه های مشابه با نمونه های آزمون برشی – فشاری بهره می برد به جز آنکه بار اعمالی به صورت عمدی بر روی لبه ی نمونه اعمال می شود و نرخ این بارگذاری عموماً 0.05 اینچ بر دقیقه می باشد و تا زمان شکست ادامه می یابد. باری که موجب شکست می شود، به عنوان بار شکست بر واحد سطح و به صورت psi گزارش داده می شود. یک نمونه ی آزمون استاندارد در شکل 9 نشان داده شده است. به دلیل اینکه نمونه های آزمون کلیواژ ماشین کاری قابل توجهی نیاز دارند، آزمون پوسته ای شن معمولاً در جاهای ممکنه، ترجیح داده می شود.

آزمون خستگی

در این آزمون یک نیروی معین به صورت مکرر بر روی اتصال قرار داده می شود. نمونه های برشی لبه روی لبه و یا سایر نمونه ها، مورد آزمایش خستگی قرار داده می شوند و بدین صورت مقاومت خستگی نمونه ارزیابی می شود. استاندارد ASTM D 3166 رویه هایی برای این آزمون تدوین کرده است.
استحکام خستگی یک چسب به عنوان تعداد سیکل هایی تعریف می شود که نمونه تا زمان شکست، تحمل می کند. سیکل های خستگی و بارگذاری های مربوطه به صورتر مختصات تنش بر لگاریتم تعداد سیکل، گزارش داده می شود. نقطه ای که در آن، نمودار به نقاط با تنش مینیمم متصل می شود، خطوط سیکل 10 میلیون می باشد که به عنوان استحکام خستگی گزارش داده می شود.
استحکام خستگی به چسب، شرایط عمل آوری، هندسه ی اتصال، حالت اعمال تنش، بزرگی تنش اعمالی و تعداد و دامنه ی سیکل های بارگذاری، وابسته می باشد.
داده های مربوط به خستگی برشی لبه روی لبه، به طراحی مهندسی وابسته می باشند زیرا الگوهای توزیع تنش در پیکربندی نمونه های برشی لبه روی لبه به طراحی عملی اتصال وابسته است. به هر حال، آزمون خستگی قطعات واقعی و یا اتصال های واقعی به خودی خود برای طراحی مهندسی مفید می باشد.

آزمون ضربه

آزمون ضربه از اهمیت خاصی برخوردار است زیرا چسب ها مشابه مواد پلیمری نسبت به نرخ های اعمال نیروی بالا، حساس می باشند. مقاومت یک چسب در برابر ضربه می تواند بوسیله ی استاندارد ASTM D 950 تدوین شود. این آزمون در واقع مشابه آزمون ضربه ی ناچ دار است که برای مطالعه ی مواد مختلف استفاده می شود. نمونه در داخل یک چنگک مانت می شود (شکل 10) و در داخل ماشین آزمون ضربه قرار داده می شود. یکی از سطوح چسبندگی با یک چکش تماس پیدا می کند و انرژی ضربه ای به صورت پوند بر واحد اینچ مربع بیان می شود. این اغلب سخت است که نتایج تکرارپذیری را از طریق این آزمون بدست آوریم. پس به عنوان یک نتیجه، این آزمون به صورت گسترده مورد استفاده قرار نمی گیرد. داده های مربوط به آزمون ضربه نشاندهنده ی این است که وقتی ضخامت فیلم چسب افزایش می یابد، استحکام ظاهری نیز افزایش می یابد. این مسئله پیشنهاد می دهد که یک بخش از انرژی برای گسستگی پیوند ضروری است. این انرژی بوسیله ی لایه ی چسب جذب می شود و به چسب وابسته نیست.
استحکام ضربه ی مربوط به چسب های ویسکوالاستیک بوسیله ی نرخ ضربه، تحت تأثیر قرار می گیرد. اغلب این مشکل است که نرخ های بالاتر ضربه را برای آزمون های آزمایشگاهی بدست آوریم. یک مثال از این مورد، یک سیستم چسب است که برای اتصال پدهای عایق به بخش های تحت آب در سازه های دریایی، استفاده می شود. آزمون ضربه برای نمونه ها، با استفاده از ساختاری پاندولی انجام می شود. این آزمون نشان می دهد که چسب ها، تحت بارهای مورد انتظار، نمی شکنند. به هر حال، آزمون های اثباتی باید برای ادوات الکتریکی مورد استفاده قرار گیرد. آزمون اثباتی نشاندهنده ی این است که چسب های ویسکوالاستیک در زمانی که با نرخ های بالای بارگذاری روبرو شوند، می شکنند. چسب ها در نرخ های ضربه ی بالا، مشابه پلیمرهای ترد عمل می کنند زیرا زنجیره های مولکولی در داخل ماده زمانی برای لغزش بر روی هم ندارند و بخش قابل توجهی از انرژی را جذب می کنند. آزمون های ضربه ی خاص و با سرعت بارگذاری بالا نیز برای کاربردهای خاص، توسعه یافته اند. این آزمون ها عموماً از نیروهای انفجار شیمیایی یا انرژی الکترومغناطیس برای ایجاد سرعت های بالای بارگذاری، بهره می گیرند.

آزمون خزش

در عمل، چسب ها همواره برای دوره های زمانی کوتاه مدت بارگذاری نمی شوند. در اغلب کاربردها، این نیاز است که اتصال چسب به صورت پیوسته نیز توانایی تحمل بارگذاری را داشته باشد. تغییر ابعادی اتفاق افتاده در چسب های تحت تنش قرار گرفته در طی دوره های زمانی طولانی، خزش نامیده می شود. داده های مربوط به خزش به ندرت در دستورالعمل تولیدکننده ی چسب، یافت می شود زیرا این آزمون، زمان بر و گران قیمت است. این مسئله از جمله بدشانسی ها محسوب می شود زیرا بارگذاری مداوم در واقعیت در چسب ها، ایجاد می شود. تمام چسب ها تمایل به خزش دارند که در برخی این تمایل بیشتر و در برخی این تمایل کمتر است. در مورد چسب های ضعیف، این خزش ممکن است به گونه ای زیاد باشد که موجب شکسته شدن اتصال شود. چسب ها، همچنین در زمانی که تحت اتمسفرهای پیرکننده قرار گیرند، زودتر تخریب می شوند.
داده های آزمون خزش با بارگذاری یک نمونه با یک تنش پیش تعریف شده و اندازه گیری تغییر شکل کل به عنوان تابعی از زمان و یا اندازه گیری زمان مورد نیاز برای شکستن کامل نمونه، تعریف می شود. بسته به چسب، بارگذاری و شرایط آزمون، زمان مورد نیاز برای تغییر شکل قابل اندازه گیری ممکن است طولانی باشد.
استاندارد ASTM D 2294 خواص خزشی چسب ها را توصیف می کند. همچنین ادوات مورد نیاز برای انجام این آزمون را نیز توصیف کرده است. با استفاده از این دستگاه که در شکل 11 نشان داده شده است، ازدیاد طول مربوط به نمونه های برشی لبه روی لبه اندازه گیری می شود. یک نمودار خزش نمونه وار برای نمونه های چسب برشی لبه روی لبه در شکل 12 قابل مشاهده می باشد. یک افزایش قابل توجه در داخل دوره ی زمانی اولیه بعد از افزایش تدریجی با زمان، قابل مشاهده می باشد. وقتی بار در پایان آزمون، حذف می شود، یک بازیابی تدریجی در کرنش با زمان، مشاهده خواهد شد. از آنجایی که ظرفیت بازیابی چسب، متغیر است، اصل مربوط به قضاوت و مقایسه ی رفتار خزشی، نباید کرنش کلی باشد که از آزمون بدست می آید. بلکه باید کرنش غیر قابل بازگشت و یا دائمی تنها در نظر گرفته شود. کرنش مربوط به چسب ها، با افزایش ضخامت فیلم، افزایش می یابد و از این رو، خزش بر واحد ضخامت برای اندازه گیری خزش چسب، پیشنهاد می شود.

آزمون های محیطی

این مفید است که نرخ از دست دادن استحکام یک اتصال چسبی را بدانیم. در واقع این از دست رفتن استحکام به دلیل فاکتورهای محیطی ایجاد می شود. مقادیر استحکام تعیین شده بوسیله ی آزمون های کوتاه مدت بدست آمده است، همواره یک شاخص مناسب برای کارایی چسب محسوب نمی شود. در واقع آزمون پیرشدن کنترل شده ی آزمایشگاهی به ندرت بیشتر از چند هزار ساعت طول می کشد. برای پیش بینی کارایی یک چسب در طی عمر 20 ساله ی خود، این نیاز است که رویه ی آزمون تسریع شود و داده ها برون یابی شوند. یک چنین برونیابی هایی ریسک بالایی دارند زیرا موجب می شوند تا تخریب اتصال چسب، حالت پیچیده پیدا کند. بدبختانه، هیچ روش دانشگاهی برای تخمین عمر مفید یک اتصال از داده های کوتاه مدت، پیشنهاد نشده است.
چسب ها و مواد آب بندی ممکن است محیط های مختلف و مسمومی را تجربه کنند. پیرشدگی محیطی در آزمایشگاه بوسیله ی در معرض تنش قرار گرفتن یک اتصال ایجاد می شود که در واقع شبیه سازی مناسبی از شرایط عملی می باشد. چسب ممکن است تحت دماهای بالا، آب، اسپری نمک و یا محلول های شیمیایی مختلف قرار گیرد. یک تعداد از مواد شیمیایی استاندارد که به بر روی نمونه های مختلف امتحان شده اند در استاندارد ASTM D 896 آورده شده است (جدول 1). این روش به ندرت نشاندهنده ی روشی است که نمونه های آزمایش پیش از آزمون، نگهداری و آماده سازی شده اند. بعد از در معرض قرار گرفتن اتصال، پیوندها ممکن است از لحاظ مناسب بودن، مورد بررسی قرار گیرند.
نوع تنش ها و شرایط محیطی باید به گونه ای انتخاب شود که به شرایط واقعی نزدیک باشد. دو شرایط محیطی توأمان، مانند حرارت و رطوبت، ممکن است موجب شود تا چسب سریع تر از زمانی تخریب شود که تنها یک عامل مخرب حضور دارد.
آزمون پیرشدن تحت تنش نیز آزمون مهمی محسوب می شود زیرا این آزمون به صورت دقیقی می تواند شرایط سرویس دهی را تخمین بزند. دستگاه تست تنش Alcoa (شکل 13)، دستگاهی است که برای اعمال تنش های با اندازه های مختلف بر روی نمونه های برشی- لبه روی لبه، استفاده می شوند و سپس پیرشدگی این نمونه های تحت تنش در شرایط محیطی مختلف، ارزیابی می شود. چندین ابزار تحلیلی وجود دارد که بوسیله ی آنها روش هایی برای برون یابی داده های آزمون دما و نرخ مربوطه، بدست می آید. یکی از این ابزارها استفاده از تبدیل نرخ Williams، Landel و Ferry (WLF) می باشد. در این روش از اصولی استفاده می شود که چسب ها از آن تبعیت می کنند. مواد مورد استفاده مانند چسب های انعطاف پذیر معمولا پلیمرهای ویسکوالاستیک هستند. به همین ترتیب، نیروهای جدایش به طور قابل توجهی به خواص ویسکوالاستیک آنها وابسته می باشند و بنابراین، این مورد به دما و نرخ اعمال نیرو وابسته است. داده های مربوط به آزمایش که به صورت تابعی از نرخ و دما در نظر گرفته می شود، سپس می تواند به صورت نمودارهای حاصله از تبدیل WLF بدست آیند. این نمودارها امکان مطالعه ی رفتار چسب ها را در یک گستره ی دمایی مناسب و نرخ مناسب، فراهم می آورد. نرخ های کرنش بالا ممکن است با انجام آزمون در نرخ ها و دماهای پایین تر، شبیه سازی شود.
منبع تحقیق :
Handbook of adhesives and sealants/ Edxard M. Petrie
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.