ترکیب و فرمولاسیون چسب ها (1)

مقدمه

عموماً این ضروری نیست که همه ی اجزای موجود در فرمولاسیون چسب ها را بشناسیم. برخی اوقات نیز فرمولاسیون چسب ها، خاص و به صورت یک راز است که در دست تولید کننده می باشد. یک فرد اغلب یک چسب تجاری را بر اساس ویژگی های عملکردی، رویه های عمل آوری و سایر اطلاعات مربوطه، انتخاب می کند. اغلب این ویژگی ها، بوسیله ی تولیدکننده ها، ارائه می شود. به هر حال، دانستن اطلاعات در مورد مواد متداولی که در فرمولاسیون چسب ها، استفاده می شود، می تواند برای حل مسائل مربوط به چسب ها، یاری دهنده باشد. همچنین این اطلاعات می تواند در مورد توسعه ی سیستم های چسب جدید، کمک کننده باشد. دانستن اطلاعات کلی در مورد این فاکتورها، برای استفاده کننده های معمولی از چسب ها مفید می باشد به نحوی که او می تواند به سهولت در مواقع مشخص، تغییرات مورد نظر را برای یک چسب، انجام دهد.
این مقاله یک آگاهی اساسی در مورد اجزایی می دهد که به صورت تجاری در فرمولاسیون چسب ها، استفاده می شود. رابطه ی میان این مواد و خواص آنها نیز توصیف شده است. روش های مرسوم مورد استفاده برای فایق آمدن بر مشکلات ایجاد شده در این زمینه، مورد بحث، قرار می گیرد. این روش ها، شامل فرایندهای فرمولاسیون و موادی است که موجب کنترل جریان یافتن، تنظیم گسترده ی دمایی استفاده، بهبود تافنس، تطبیق ضرایب انبساط گرمایی، کاهش شرینکیج، افزایش چسبندگی و اصلاح رسانایی الکتریکی و گرمایی می شود.

ترکیب چسب ها

چسب های مدرن امروزی اغلب فرمولاسیون های پیچیده ای دارند که دارای عملکردهای خاص می باشد. پلیمرهای اندکی وجود دارد که بدون افزودن برخی از مواد اصلاح کننده مانند پلاستیسایزر، تکیفایر و یا پرکننده های خنثی، مورد استفاده قرار می گیرند. انتخاب مواد تشکیل دهنده ی واقعی به خاصیت وابسته است که مد نظر داریم. این مواد تشکیل دهنده همچنین به کاربرد و الزامات فرایندی مورد استفاده و هزینه ها نیز وابسته است. اجزای مختلفی که در یک فرمولاسیون چسب وجود دارد، عبارتند از:
• پایه یا بایندر
• عامل شتاب دهنده، بازدارنده و یا عامل تاخیری
• حلال
• تینرها
• توسعه دهنده ها
• پرکننده ها
• حامل ها و تقویت کننده ها
• پلاستیسایزر
• تکیفایرها (Tackifiers)
• تکیفایرها یا عوامل تیکسوتروپی
• عوامل تشکیل دهنده ی لایه
• آنتی اکسیدان ها، آنتی هیدرولیزها و عوامل ضد قارچ و پایدارسازها
• صابون ها، سورفکتانت ها و عوامل ترکننده
پایه یا بایندر چسب در واقع یک جزء اصلی از یک چسب است. بایندر بسیاری از ویژگی های چسب مانند ترشوندگی، خواص عمل آوری، استحکام و مقاومت در برابر محیط زیست را ایجاد می کند. بایندر اغلب از لحاظ وزنی، بزرگترین بخش فرمولاسیون چسب را به خود اختصاص می دهد اما این مسئله همواره برای چسب های حاوی مقادیر قابل توجه پرکننده و مواد آب بندی، صدق نمی کند. بایندر عموماً جزئی است که نام چسب، از آن مشتق می شود. برای مثال، چسب اپوکسی، ممکن است اجزای متعددی داشته باشد اما ماده ی پایه و اصلی آن، رزین اپوکسی است. وقتی بایندر انتخاب می شود، سایر اجزای مورد نیاز سپس تعیین می شود. یک عامل سخت کننده و یا عامل عمل آوری، در واقع ماده ای است که بعد از افزودن شدن به چسب، موجب افزایش واکنش عمل آوری می شود. این ماده به صورت شیمیایی با رزین پایه واکنش می دهد. عامل سخت کننده و یا عمل آوری به طور خاص برای هر رزین انتخاب می شود. این مواد دارای اثر قابل توجهی بر روی ویژگی های عمل آوری و خواص نهایی سیستم چسب، هستند.
پلی آمید رآکتیو یک مثال از عوامل سخت کننده ی متداولی است که برای سیستم های اپوکسی دو جزئی، استفاده می شوند. مقدار بحرانی سخت کننده ی مورد استفاده در فرمولاسیون این چسب ها، به شیمی مربوط به واکنش چسب، وابسته می باشد. با استفاده بیش از اندازه و یا کمتر از حد سخت کننده ی پلی آمیدی، فرمولاسیون منتج شده خواص مختلفی خواهد داشت اما یک سیستم چسب قابل استفاده عموماً در این حالت، منتج می شود. برای مثال، افزودن 10 تا 15 % وزنی سخت کننده ی پلی آمیدی به یک فرمولاسیون اپوکسی دو جزئی، منجر می شود تا سیستمی ایجاد شود که دارای انعطاف پذیری بیشتر و مقاومت به پوسته ای شدن خوبی است اما استحکام کششی و مقاومت محیطی آنها پایین است. علت این مسئله، طبیعت انعطاف پذیر مولکول های پلی آمید می باشد. میزان سخت کننده ی کمتر از حد، موجب می شود تا استحکام برشی بالاتری ایجاد شود. همچنین مقاومت به محیط این چسب نیز بهتر است اما استحکام پوسته ای شدن این چسب، افت می کند. به هر حال، این مسئله قابل ذکر می باشد که سخت کننده های متداول (مانند آمین ها، اسیدها و انیدریدها)، الزامات مخلوط سازی خاصی نیاز دارند و انحراف اندک از دستورالعمل مخلوط کنندگی، می تواند بر روی سیستم چسب، اثرگذار باشد.
کاتالیست ها در واکنش عمل اوری بدون تغییر می ماند و این مسئله موجب می شود تا رزین اولیه پیوند عرضی بدهد و به حالت جامد تبدیل شود. اسیدها، بازها، نمک ها، ترکیبات گوگرد دار و پروکسیدها، متداول ترین سخت کننده های مورد استفاده می باشد. تنها مقادیر اندک از این مواد، برای ایجاد اثر عمل آوری در چسب ها، ضروری است. برخلاف سخت کننده ها، میزان کاتالیست مورد استفاده، بسیار مهم می باشد و در صورت استفاده از مقادیر کمتر و یا بیشتر از کاتالیست ها، استحکام پیوند آنها افت می کند.
یک شتاب دهنده، ممانعت کننده و یا عامل به تأخیر اندازی برخی اوقات در فرمولاسیون چسب استفاده می شود تا بدین صورت، نرخ عمل اوری، عمر ذخیره سازی و عمر کاری فرمولاسیون چسب، بهبود یابد.
حلال برخی اوقات در چسب استفاده می شود تا بدین صورت قابلیت اعمال چسب با برس و یا اسپری، بهبود یابد. حلال ها همچنین برای کمک به کاهش ویسکوزیته ی فرمولاسیون چسب نیز استفاده می شوند. حلال های مورد استفاده با رزین های مصنوعی و الاستومرها عموماً طبیعت آلی دارند و اغلب مخلوطی از حلال های مختلفی هستند که برای حصول خاصیت مناسب، مورد نیاز می باشند. حلال های قطبی برای رزین های قطبی، مناسب هستند و حلال های غیر قطبی برای رزین های غیر قطبی کارایی دارند. وقتی حلال ها در فرمولاسیون چسب، استفاده می شوند، پیش از عمل آوری باید به طور کامل از رزین خارج شوند. زیرلایه باید همچنین مورد ارزیابی قرار گیرد تا بدین صورت حلال انتخاب شده، مخرب و یا خورنده، نباشد.
برخی اوقات آب به عنوان حلال برای رزین های حلال در آب، استفاده می شوند. چسب های خاص همچنین برای امولسیون های بر پایه ی آب، و یا فرمولاسیون های لاتکسی، مناسب می باشند. در اوایل دهه ی 1970، در طی زمانی که بحران نفتی ایجاد شده بود، چسب های بر پایه ی آب به عنوان یک جایگزین برای سیستم های چسب بر پایه ی حلال، پیشنهاد شدند. به هر حال، چسب های بر پایه ی آب، هیچگاه انتظارات را براورده نکردند زیرا زمان و انرژی مورد نیاز برای حذف آب از آنها، قابل توجه است و همچنین این چسب ها، نسبت به رطوبت، مقاومتی ندارند.
یک جزء اضافه شده به یک چسب، که موجب کاهش در غلظت رزین پایه و یا بایندر می شود، تینر نامیده می شود. تینرها، در اصل برای کاهش ویسکوزیته و اصلاح شرایط فرآوری برخی چسب ها، استفاده می شوند. میزان کاهش ویسکوزیته که بوسیله ی تینرها و در چسب های اپوکسی، ایجاد می شود، در شکل 1 آورده شده است. تینرها، مانند حلال ها تبخیر نمی شوند بلکه به صورت بخشی از چسب نهایی، صلب می شوند. تینرهای رآکتیو با در زمان عمل آوری با رزین واکنش می دهند به نحوی که ویژگی های چسب نهایی بوسیله ی محصولات تعیین می شود که از واکنش تینر و بایندر ایجاد شده است. تینرهای غیر رآکتیو با رزین و یا بایندر واکنش نمی دهند و بنابراین، خواص فیزیکی نهایی چسب را تحت تأثیر قرار نمی دهند. متداول ترین تینرهای یا رقیق سازهای غیر راکتیو، قطران زغال سنگ و روغن کاج می باشند. توسعه دهنده ها موادی هستند که معمولاً دارای مقداری خاصیت چسبندگی می باشند و به چسب اضافه می شوند تا بدین صورت، غلظت سایر اجزای چسب را کاهش دهند. این کار موجب کاهش هزینه های فرمولاسیون کلی می شود. توسعه دهنده ها همچنین موجب اصلاح برخی از خواص فیزیکی چسب ها می شود. توسعه دهنده های متداول، عبارتند از مواد فلئور دار، لیگنین محلول و رزین های مصنوعی نیمه عمل آوری شده.
پرکننده ها، مواد غیر چسبنده ای هستند که به فرمولاسیون چسب اضافه می شوند تا بدین صورت موجب بهبود خواص کاری، استحکام، کارایی و سایر ویژگی های چسب شود. بهبودهای منتج شده از استفاده این پرکننده های متداول، در جدول 1 آورده شده است. پرکننده ها همچنین برای کاهش هزینه های مواد مورد استفاده در تولید چسب، نیز استفاده می شوند. با انتخاب یک پرکننده برای یک چسب، خواص چسب می تواند به طور قابل توجهی تغییر کند. انبساط گرمایی، رسانایی الکتریکی و گرمایی، شرینکیج، ویسکوزیته و مقاومت گرمایی، تنها برخی از خواصی است که می تواند با استفاده از پرکننده ها، اصلاح گردد. پرکننده های متدوال عبارتند از خاک اره، سیلیس، آلومینا، اکسید تیتانیم، پودر فلزی، خاک چینی، پودر سنگ و الیاف شیشه. برخی از پرکننده ها، ممکن است به عنوان توسعه دهنده نیز عمل کنند.
یک حامل و یا تقویت کننده، عموماً یک لایه ی بافته شده ی نازک، پارچه ای و یا کاغذی است که برای حمایت از چسب عمل آوری نشده، استفاده می شود. این عامل به صورت یک لایه ی نازک و یا یک نوار، وجود دارد. در مورد نوارهای حساس به فشار، حامل بخشی است که چسب بر روی آن، اعمال می شود. این بخش ممکن است برای اهداف دکوراسیونی و یا عملکردی، استفاده شود. در مورد نوارهای ساختاری و یا لایه ها، حامل معمولاً متخلخل است و به گونه ای است که چسب، حامل را اشباع می کند. شیشه، پلی استر و پارچه های نایلونی، حامل های متداولی هستند که برای چسب های B مرحله ای، استفاده می شوند. در این موارد، حامل موجب می شود تا اعمال چسب، تسهیل گردد و همچنین تقویت کنندگی بخش چسبنده نیز بهتر می شود.
پلاستیسایزر در فرمولاسیون چسب استفاده می شود تا بدین صورت، انعطاف پذیری و یا ازدیاد طول چسب، افزایش یابد. مشابه با تینرها، پلاستیسایزر نیز اغلب یک حلال غیر تبخیری است که در رزین پایه وارد می شود. با استفاده از این ماده در فرمولاسیون، زنجیره های پلیمری آزاد می شوند و تغییر شکل آنها با سهولت بیشتری انجام می شود. پلاستیسایزرها، عموماً بر روی خواص ویسکوزیته ی رزین پایه اثرگذار هستند، در حالی که تینرها، تنها ویسکوزیته ی سیستم را کاهش می دهند. در حالی که تینرها، منجر به تردی سیستم می شوند و موجب تشکیل سیستم های چسب سخت می شود، پلاستیسایزرها منجر به افزایش انعطاف پذیری و کاهش مدول سیستم می شوند. دمایی که در آن، پلیمر خاصیت رابری دارد، دمای شیشه ای شدن نامیده می شود، این دما بوسیله ی استفاده از پلاستیسایزر، کاهش می یابد.
مواد رزینی خاصی که به عنوان پلاستیسایزر عمل می کنند، نیز موجب افزایش خوراک فرمولاسیون می شوند. تکتیفایرهای سنتی رزین های طبیعی مانند روغن کاج هستند. این تکتیفایرها، در فرمولاسیون چسب های مدرن استفاده می شوند که حاوی هیدروکربن های آلیفاتیک و آروماتیک، ترپن ها و استرهای کلوفون می باشند. رزین های تکتیفایر که به طور متداول در فرمولاسیون چسب ها، استفاده می شوند در جدول 2 آورده شده اند. تکتیفایرها در چسب های حساس به فشار و چسب هایی استفاده می شوند که استحکام اولیه محصول، مورد نیاز باشد. علاوه بر افزایش خاصیت چسبندگی اولیه، استحکام پوسته ای شدن و استحکام برشی کاهش یافته نیز از جمله خواص این مواد می باشد. شکل 2 نشاندهنده ی وابستگی مقاومت به پوسته ای شدن، مقاومت برشی و چسبندگی اولیه در فرمولاسیون چسب ها، می باشد. حلال های مختلف، عوامل محلول سازی، پودر رزینی و یا پرکننده های خنثی می تواند برای کنترل ویسکوزیته ی چسب ها، استفاده شود. ویسکوزیته ی سیستم های چسبی ممکن است نیازمند افزایش یا کاهش باشد. این مسئله به کاربرد، وابسته می باشد. کنترل ویسکوزیته یکی از روش های متدوال در حفظ یکنواختی و ضخامت چسب، می باشد. ضخیم سازها و عوامل تیکسوتروپی، نیز برای ایجاد یک ضخامت مناسب از چسب، استفاده می شوند. پرکننده های تیکسوتروپ، موادی هستند که وقتی به چسب اضافه شوند، موجب افزایش ویسکوزیته ماده در حالت ایستایی می شوند. بنابراین، عوامل تیکسوتروپی موجب می شوند تا مقاومت در برابر روان شدن و قابلیت باقیماندن چسب بر روی مهم مورد نظر، افزایش یابد. به هر حال، وقتی یک نیروی اندک اعمال می شود، سیستم سپس به دلیل داشتن ویسکوزیته ی کمتر، جریان می یابد. تیکسوتروپی نیز در بخش بعدی مورد بررسی قرار می گیرد. تقویت کننده های پارچه ای نیز روش های دیگری هستند که به طور متداول برای کنترل ضخامت چسب، استفاده می شود.
حذف حلال از محلول یک پلیمر، موجب می شود تا یک لایه از پلیمر بر روی سطح باقی بماند. اگر مقداری از پلیمر به صورت امولسیونی وجود داشته باشد، حذف مایع به صورت تبخیری، ضرورتاً موجب ایجاد یک لایه ی یکنواخت نمی کند. گلوله های منفرد از پلیمر، تنها ترکیب می شوند و موجب تشکیل یک لایه می شوند اگر دما، بالاتر از دمای شیشه ای شدن، باشد. خشک شدن برخی از امولسیون ها، موجب ایجاد یک پودر می شود مگر آنکه دمای شیشه ای شدن آن، ابتدا پایین تر باشد و با افزودن پلاستیسایزر، یا تشکیل دهنده ی لایه، به حالت امولسیونی در آید. لایه سازها، به صورت دقیق انتخاب می شوند تا بدین صورت دمای شیشه ای شدن کاهش یابد، بدون آنکه استحکام فیلم، افت کند.
بسیاری از پلیمرها، دارای طول عمر محدودی هستند و از این رو، تحت عملیات های پیرشدگی قرار می گیرند. برای به تأخیر انداختن فرایندهای پیرسازیی، آنتی اکسیدان ها، عوامل ضد هیدراسیون و پایدارسازها، به فرمولاسیون چسب افزوده می شود. عوامل ضد قارچ و یا آفتکش ها نیز در بسیاری از سیستم های چسب بر پایه ی آب، افزوده می شود.
سوسپانسیون های آبی شامل یک گستره ی وسیع از چسب ها، می باشند. به این مواد افزودنی های مختلفی از جمله صابون ها، سورفکتانت ها و عوامل ترشوندگی اضافه می شود تا بدین صورت امولسیون و یا لاتکس، پایدار شود. افزودنی ها همچنین در فرمولاسیون های آبی اضافه می شود تا بدین صورت تحت سیکل های یخ زدگی متوالی، پایداری خوبی ایجاد شود.
این توصیف مربوط به افزودنی های مختلفی که در مورد چسب ها، گفته شد، عمومی و موجز است. هزاران افزودنی وجود دارد که می توان از آنها در سیستم های چسب، استفاده کرد. این انتخاب به سیستم چسب مورد استفاده، وابسته است. همچنین نحوه ی استفاده، هزینه ی سیستم و خواص مورد نیاز، از جمله فاکتورهای مؤثره ی دیگر می باشند. بخش زیر توصیف کوتاهی در مورد نحوه ی اثر دهی پارامترهای فرمولاسیون و افزودنی های خاص در کنترل ویژگی های سیستم چسب، را ارائه کرده است.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Handbook of adhesives and sealants/ Edxard M. Petrie