ترکیب و فرمولاسیون چسب ها (3)

بهبود تافنس

قابلیت یک چسب برای جذب انرژی بدون شکسته شده، می تواند از طریق تافنس افزایش یابد. این مسئله موجب افزایش مقاومت ماده در برابر شکست، ضربه و تنش های گرمایی می شود و بدین شیوه، میزان تغییر در خواص دیگر رزین زمینه، نیز به حداقل می رسد. متخصصین فرمولاسیون چسب می تواند تافنس فرمولاسیون چسب را از چند روش، افزایش دهد.
یک روش متداول در افزایش تافنس چسب، مخلوط کردن رزین اولیه با سایر پلیمرهای ترموپلاست و یا الاستومری می باشد. به هر حال، این روش، معمولاً موجب ایجاد ویژگی های خوب و بد در رزین می شود. چسب های اپوکسی- نایلون، یک بهبود قابل توجه در تافنس نسبت به فرمولاسیون اپوکسی خالص، ایجاد می کنند اما این چسب ها، نسبت به رطوبت حساس می باشند که علت آن، وجود جزء نایلون می باشد. چسب هایی نیتریل- فنولیک دارای خواص دما بالا خوبی هستند. علت این مسئله وجود جزء فنولی می باشد. این چسب ها همچنین به دلیل وجود جزء نیتریل، دارای مقاومت به پوسته ای شدن بالایی نیز هستند. به هر حال، نه استحکام پوسته ای شدن و نه مقاومت دمایی چسب هایی که تنها از یک جزء (نیتریل یا فنول) تشکیل شده اند، به این حد خوب نیست. در سیستم های هیبریدی متداول، رزینی که تافنس آن بهبود یافته است، موجب کاهش دمای انتقال به حالت شیشه ای می شوند و از ای نرو، کارایی دما بالا و مقاومت محیطی جزء تردتر، افت می کند.
به هر حال، سیستم های چسب جدیدتر، با استفاده از بهبود تافنس و بدون افت سایر ویژگی ها، نیز تولید شده است. وقتی این چسب ها عمل آوری می شوند، این چسب های ساختاری حاوی ذرات الاستومری گسسته در داخل زمینه ای پلیمری هستند. این کار از چند روش انجام می شود. یک روش در مورد چسب های اپوکسی و اکریلیکی، با استفاده از وارد کردن ذرات رابری در فرمولاسیون این چسب ها، انجام می شود. پلیمر رابری در بایندر زمینه حل می شود و وقتی چسب عمل آوری می شود، این ناخالصی های رابری که به صورت قطره هستند، تشکیل می شوند. در حقیقت، ذرات رابری موجب جذب انرژی و توقف اشاعه ی ترک در خط اتصال می شوند. این مسئله موجب افزایش مقاومت به شکست، ضربه و تنش های گرمایی می شوند و سایر خواص چسب نیز تا حد ممکنه حفظ می شوند.
متداول ترین مواد ترکیبی با تافنس بالا که در آنها از ذرات الاستومری استفاده می شود، سیستم های چسب اپوکسی و اکریلیکی است. یک چنین سیستم های با تافنس بهبود یافته ای، بر پایه ی پیوندهای عرضی پلی متیل متا اکریلات با وینیل اکریلونیتریل بوتادین، تشکیل می شوند. به طور مشابه، سیستم های چسب حاوی رزین های اپوکسی به همراه پلیمرهای مایع کربوکسیل- بوتادین اکریلونیتریل (CTBN) نیز موجود می باشند. این سیستم ها موجب افزایش خواص کارایی محیطی، مقاومت برشی و مقاومت در برابر پوسته ای شدن، می شوند. مواد اصلاح شده ی اپوکسی با استفاده از CTBN نیز هم برای افزایش تافنس کامپوزیت ها و هم چسب ها، استفاده می شوند.
شکل 1 نشاندهنده ی فرمولاسیون کنترل شده ی یک چسب اپوکسی ساده و یک چسب اپوکسی حاوی CTBN می باشد. با استفاده از فرمولاسیون CTBN، استحکام برشی لبه روی لبه در گستره ی دمایی -50 تا 75 درجه ی سانتیگراد، بیشتر است و استحکام پوسته ای شدن این رزین ترکیبی نیز 4 برابر در دمای محیط بیشتر است. دمای تبدیل شدن به حالت شیشه ای برای این سیستم خالص، برابر با 135 درجه ی سانتیگراد و برای سیستم ترکیبی، این میزان 129 درجه می باشد. یکی دیگر از گروه های چسب های هیبریدی رآکتیو، با ترکیب مخلوطی از اپوکسی و یوریتان، تولید می شود. این مواد در دماهای بالا استحکامی کمتر از سیستم های اپوکسی حاوی رابر دارند.
به هر حال، این چسب ها، فرمولاسیون ارزان قیمتی هستند که می توانند به صورت مذاب اعمال شوند. آنها با واکنش با رطوبت موجود در هوا، پیوند عرضی ایجاد می کنند و استحکام اولیه ی سریعی بدست می آورند. آنها دارای میزان ازدیاد طول بالایی هستند و برخلاف سایر رزین های دارای ازدیاد طول بالا، نسبت به هیدرولیز، مقاومند. ازدیاد طول کششی مربوط به فیلم ها می تواند از 15 % تا بیش از 100 % تغییر کند (در مقایسه با میزان 2 % برای اکثر چسب های اپوکسی اصلاح نشده).
چسب های هیبریدی رآکتیو همچنین می توانند برای اتصال فولاد نورد شده ی روغنی و سرد و بسیاری از زیرلایه های دیگر، استفاده شود. ظاهراً فاز الاستومری بخش قابل توجهی از روغنی که بر روی سطح قرار دارد را جذب کرده بدون آنکه خاصیت چسب و یا استحکام پیوستگی سیستم افت کند.

کاهش ضریب انبساط حرارتی

بسته به زیرلایه، دمای عمل آوری و دماهای سرویس دهی که چسب با آنها روبروست، متخصص فرموله کننده ی چسب ممکن است بخواهد که ضریب انبساط حرارتی سیستم چسب را نیز تغییر دهد. این مسئله در واقع موجب کاهش تنش های داخلی می شود که در طی انبساط های مکرر میان زیرلایه و چسب، رخ می دهد. این تنش ها موجب تخریب استحکام اتصال می شوند. یک چنین رخدادی وقتی ایجاد می شود که دمای سرویس دهی، از دمای عمل آوری متفاوت باشد.
به طور ایده آل، ضریب انبساط گرمایی باید کاهش یابد تا بدین صورت، ضریب انبساط گرمایی چسب و زیرلایه ها، تطابق پیدا کند. این مسئله معمولاً با استفاده از یک پرکننده انجام می شود (شکل 2). این ممکن نیست که از میزان پرکننده ی قابل توجهی به منظور اصلاح خاصیت انبساطی زمینه، استفاده شود. مقادیر بالای پرکننده، موجب افزایش نقطه ای می شود که چسب، نمی تواند به سهولت زیرلایه را تر کرده و به آن بچسبد. برای برخی کاربردها و برخی پرکننده ها، میزان حجمی تا 200 phr نیز مورد استفاده قرار می گیرد اما استحکام چسبندگی بهینه معمولاً در مقادیر بسیار کمتر پرکننده ایجاد می شود. وقتی حدود دمایی به طور مناسب انتخاب گردد، این مفید است که تفاوت در ضریب انبساط حرارتی، با استفاده از افزایش دهنده های انعطاف پذیری انجام شود و بدین صورت، تنش های داخلی در حین سیکل های حرارتی، جذب گردد. وقتی مواد اتصال یافته دارای نرخ های انبساط حرارتی متفاوتی هستند، تاب شدید ممکن است در دماهای بالا رخ دهد. برای جلوگیری از این تنش ها، یک چسب با انعطاف پذیری بزرگتر، مورد نیاز است.
کاهش شرینکیج
تمام رزین ها در زمان سخت شدن و یا عمل اوری، متحمل شرینکیج می شوند. این شرینکیج می تواند موجب تنش های داخلی در اتصال شده و بدین صورت، موجب تخریب استحکام شود. بسته به رزین پایه ی اولیه، فرمولاسیون های چسب ممکن است نیازمند کاهش میزان شرینکیج، در زمان سخت شدن، باشند. این مسئله به چندین شیوه انجام می شود.
پرکننده ها موجب کاهش نرخ شرینکیج می شوند. این کار با جایگزینی رزین در فرمولاسیون چسب با پرکننده، انجام می شود. پرکننده ها ممکن است موجب بهبود استحکام اتصال عملیاتی به میزان 50 تا 100 % شوند. اثر پرکننده های مختلف و میزان مختلف این پرکننده ها بر روی استحکام چسب های اپوکسی در شکل 3 آورده شده است. اثر پرکننده های مختلف بر روی استحکام برشی لایه های فنولیک در 100 phr، در جدول 1 آورده شده است. یکی دیگر از راه های کاهش شرینکیج، مخلوط کردن رزین پایه با چیزی است که در زمان عمل آوری، شرینکیج بالایی نداشته باشد. در حقیقت، مونومرهای خاصی وجود دارد که برای این کار توسعه یافته اند. این مونومرها وقتی با رزین های معمولی مخلوط می شوند، سیستم چسبی ایجاد می کنند که میزان شرینکیج آن، صفر است. این اعتقاد وجود دارد که وقتی این سیستم های چسبی فرموله می شوند، مونورهای قرار داده شده در داخل آنها، موجب ایجاد یک استحکام اتصال مورد قبول می شوند که در واقع با ایجاد اتصال های عرضی در ساختار ایجاد می شود.

افزایش میزان چسبندگی

در فرمولاسیون های چسبی، برخی اوقات این ضروری است که پیش از سخت شدن چسب، یک میزان اولیه ی چسبندگی با زیرلایه ایجاد شود. این چسبندگی می تواند با انتخاب مناسب مواد چسب، انجام شود.
یک تعداد از تکتیفایرهای مایع و جامد برای استفاده در فرمولاسیون چسب ها، توسعه یافته اند. نقش تکتیفایرها در چسب های عمل آوری نشده، به خوبی فهمیده شده است. برای مثال، چسب های حساس به فشار به طور قابل توجهی به تکتفایر و تعادل میان خواص ویسکوالاستیک، وابسته می باشند. تکتیفایرها موجب می شود تا طبیعت ویسکوزیته ی چسب ایجاد شود، در حالی که پلیمر رزینی پایه موجب می شود تا طبیعت الاستیک چسب، ایجاد شود. اثر تکتیفایر بر روی ویژگی های عمل اوری و خواص نهایی چسب ها، باید مورد بررسی قرار گیرد زیرا این اثرات می تواند قابل توجه باشد. اصلاح رسانایی الکتریکی و گرمایی
خواص الکتریکی و گرمایی مربوط به سیستم های چسبی، همچنین با ترکیب فرمولاسیون، اصلاح می شود. رزین های پلیمری اصلاح نشده، در واقع عایق های طبیعی هستند و دارای خواص رسانایی الکتریکی نیستند. کاربردهای خاصی وجود دارد که در آنها چسب ها، باید خاصیت رسانایی داشته باشند، مثلا در برخی از بخش های صنایع الکترونیک. مثلا در برخی کاربردها، چسب های رسانا، جایگزین سیم و لحیم کاری بردهای شده است.
به طور مشابه، بیشتر رزین های پلیمری اصلاح نشده، دارای رسانایی الکتریکی بسیار پایینی هستند. کاربردهایی وجود دارد که در آنها میزان بالای رسانایی الکتریکی در چسب مهم می باشد. یک مثال، اتصال سینک های حرارتی است که باید به طور محکم به اجزای الکترونیکی توان متصل شوند.
فیلرهای مناسب برای تولید چسب های با رسانایی الکتریکی و یا گرمایی بالا، استفاده می شوند. این مسئله باید تذکر داده شود که صرفنظر از خود سیستم چسب، رسانایی الکتریکی و گرمایی با به حداقل رساندن طول خط چسب و یا به حداقل رساندن بخش غیر رسانای این چسب ها، افزایش می یابد.
چسب های با رسانایی الکتریکی دارای رسانایی خاص خود هستند و هزینه های تولید آنها بالاست. در برخی از آنها پرکننده های خاص فلزی استفاده شده است. در جدول 2 این مواد مورد بررسی قرار گرفته اند. امروزه، برای تولید این چسب ها، از پودر یا ذرات فلسی شکل نقره استفاده می شود. نقره موجب می شود تا پایداری رسانایی در چسب ایجاد شود که این مسئله در مورد استفاده از سایر پودرهای فلزی از جمله مس، بوجود نخواهد یافت. در جاهایی که خاصیت الاستومری مد نظر است، اپوکسی به همراه پرکننده ی نقره و سیستم های رابری سیلیکونی همراه با پرکننده ی نقره، به صورت تجاری در دسترس می باشد. ذرات کربن رسانا و یا گرافیت نیز می توانند در فرمولاسیون چسب، استفاده شود اگر بخواهیم چسبی با هزینه ی پایین تولید کرد. شکل 4 نشاندهنده ی مکانیزم مربوط به جریان یافتن الکتریسیسته در میان پلیمرهای حاوی پرکننده ی فلزی می باشد. اگر ذرات فلزی کافی در داخل زمینه ی پلیمری وجود داشته باشند و موجب تشکیل یک چارچوب در داخل ساختار پلیمر شوند، الکترون ها می توانند از میان ذرات جریان یابند. چسب های حاوی پودر فلزی هم دارای رسانایی گرمایی و هم رسانایی الکتریکی هستند. به هر حال، در برخی کاربردها، باید رسانایی حرارتی وجود داشته باشد اما رسانایی الکتریکی مد نظر نمی باشد. برای مثال، وسایل الکتریکی و سایر اجزای تولیدکننده ی حرارت به سینک های حرارتی و یا سایر سطوح فلزی متصل می شوند. در اینجا، چسب باید اجازه ی انتقال حرارت را بدهد اما اجازه ی عبور الکتریسیته را ندهد. پرکننده های مورد استفاده برای حصول این مورد، عبارتند از اکسید آلومینیوم، اکسید برلیوم، نیترید بور و سیلیس. از لحاظ تئوری، نیترید بور یک پرکننده ی بهینه برای ایجاد چسب های با رسانایی گرمایی است. به هر حال، این مشکل است که سیستم چسب، حاوی مقادیر بیشتر از 40 % وزنی نیترید بور باشد. اکسید برلیوم نیز گران قیمت است و رسانایی گرمایی منتج شده از آن، در زمان مخلوط شدن با رزین های آلی، به شدن افت می کند. اکسید آلومینیوم در این کاربرد، به صورت متداول، استفاده می شود. جدول 3 لیستی از مقادیر رسانایی گرمایی برخی از فلزات، اکسید برلیوم، اکسید آلومینیوم و چند پرکننده و رزین دیگر را آورده است. شکل 5 نشاندهنده ی مقادیر رسانایی گرمایی برای رزین اپوکسی به عنوان تابعی از کسر حجمی برخی پرکننده های متداول می باشد. فرمولاسیون های تجاری
از لحاظ تجاری، هزاران چسب تجاری در بازار وجود دارد. برخی از این چسب ها، بوسیله ی هزاران تولید کننده و فروشنده، تولید می شود. این تولیدکننده ها شامل شرکت های تولیدی کوچک و محلی و شرکت های چند ملیتی می باشد.
فرمولاسیون های تجاری این شرکت ها، اختصاصی است و شامل چند جزء اصلی و فرعی می شود. این چسب ها، برای یک کاربرد و یا چند کاربرد خاص، توسعه یافته اند. هوش نهفته در پشت یک فرمولاسیون، بر اساس دانش متخصص فرمولاسیون در زمینه ی اصولی است که با مطالعه ی این مقاله به آن دسترسی خواهید یافت. به هر حال، این باید یادآوری شود که این فرمولاسوین های موفق نتیجه ای از سعی و خطا بر روی صدها فرمولاسیون است. فرمولاسیون های خاص برای استفاده در کاربردهای خاص، توسعه یافته اند. البته می توان از این چسب ها در برخی کاربردهای دیگر بهره جست. اگر چه ما دوست داریم بگوییم که تکنولوژی چسب، یک علم است، به دلیل انجام سعی و خطا، این بیان بسیار سخت است. ارزش اصلی کار متخصص فرمولاسیون، در حقیقت زمانی است که او صرف توسعه ی یک فرمول کرده است.
فروشنده های چسب مشتاق هستند تا یک کاربرد جدید را شناسایی کنند. بیشتر اطلاعاتی که آنها دارند موجب می شود تا انتخاب یک فرمولاسیون برای یک کاربرد خاص، راحت تر شود. اطلاعاتی که فروشنده ی چسب باید پیش از ارائه ی پیشنهادات به خریدار بدهد، در شکل 6 آورده شده است. اغلب استفاده کننده ها از چسب و یا تازه کارها سعی می کنند تا چسب هایی را سفارش دهند که برای کاربردی خاص مناسب باشد. به هر حال، این مسئله معمولاً روشی آسانی نیست مگر آنکه یک فرد متخصص و حرفه ای این کار را انجام دهد. مهارت فرموله کردن نمی تواند عموماً از طریق خواندن و کارهای دانشگاهی انجام شود. این کار می تواند از طریق کار تجربی، انتخاب مواد مناسب، ترکیب کردن آنها و سپس بررسی ویژگی های ماده ی حاصله، انجام شود. این تجربه ی چند جهته، ارزشمند است و بسیاری از فروشنده های چسب، از آن بهره می برند.
اطلاعات مربوط به فرمولاسیون چسب ها، از چندین مرجع قابل دسترسی است. چندین کتاب وجود دارد که اطلاعات محدودی در مورد این موضوع می دهد. همچنین اطلاعات اندک و پراکنده ای نیز در مجلات، نشریات و سایر متون وجود دارد.
اطلاعات ارزنده ای می تواند همچنین از فروشنده های مواد خام بدست آید. آنها اغلب فرمولاسیون از چسب ها را ارائه می دهند و در نتیجه، اطلاعات عمومی و جالبی در زمینه ی چسب ها، دارند. اغلب این فرمولاسیون ها اساسی است که به صورت تجاری موجود می باشند.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.

منبع مقاله :
Handbook of adhesives and sealants/ Edxard M. Petrie