خانواده ی چسب ها (1)

مقدمه

این مقاله خانواده ی شیمیایی متداول موادی را بررسی خواهد کرد که در فرمولاسیون چسب ها، استفاده می شود. آنها شامل رزین های پلیمری مصنوعی، رزین های طبیعی و محصولات غیر آلی هستند. این مواد موجب تشکیل بخش های رزینی پایه در فرمولاسیون چسب می شوند. این مواد به همراه مواد اصلاح کننده و افزودنی، دارای خواص شیمیایی و فیزیکی هستند که موجب تشکیل خواص کل در سیستم چسب می شوند.

روش های طبقه بندی

روش های مختلفی برای طبقه بندی چسب ها، وجود دارد. در این مقاله، آنها در اصل به عنوان چسب های ساختاری و چسب های غیر ساختاری، طبقه بندی می شوند. این گروه بندی مسلماً گسترده و کلی است اما بیان کننده ی نوع کاربردی است که چسب در آن، استفاده می شود. ما همچنین چسب ها را بر اساس وجود پیوندهای عرضی (یعنی ترموست و ترموپلاست)، میزان انعطاف پذیری (صلب یا الاستومری)، شکل و شرایط عمل آوری نیز طبقه بندی می شوند. جدول 1 نشاندهنده ی خانواده های متداول چسب می باشد که در این مقاله، مورد بررسی قرار می گیرند. کاربردهای ساختاری آنهایی هستند که نیازمند استحکام یا کارایی بالا هستند. این انتظار وجود دارد که اتصال های چسبی ساختاری عمر سرویس دهی مفیدی داشته باشند. کاربردهای غیر ساختاری آنهایی هستند که عموماً نیازمند استحکام های پایین و یا متوسط هستند. مثال هایی از چسب های غیر ساختاری نوارهای حساس به فشار، چسب های ذوبی و یا چسب های بسته بندی می باشند. برخی افراد چسب های ساختاری را به عنوان سیستم هایی تعریف می کنند که دارای استحکام برشی کششی بزرگتر از 1000 psi هستند و خواصی دارند که با پیرسازی متوسط، از بین نمی رود.
چسب های غیر ساختاری آنهایی هستند که استحکام برشی آنها کمتر از 1000 psi است و دوام مورد نیاز برای آنها توانایی تحمل یک محیط متوسط را دارند.
طبقه بندی برخی از چسب ها با این روش، مشکل است. برای مثال، چسب های انعطاف پذیر ذوبی که در تولید لباس مورد استفاده قرار می گیرند، چسب ساختاری هستند و یا غیر ساختاری؟ استحکام این چسب ها متوسط است و در برابر شستشو و فرایندهای تولید لباس، مقاوم می باشند. تولیدکننده های لباس ممکن است یک چسب ذوبی را به عنوان یک چسب ساختاری و مشابه با دوخت و دوز، در نظر بگیرند. به هر حال، چسب های ذوبی عموماً چسب های ساختاری در نظر گرفته نمی شوند زیرا آنها به عنوان اتصال دهنده های اولیه مورد استفاده قرار نمی گیرند و الزامات کاربردهای ساختاری را در بسیاری از محیط ها، دارا نمی باشند. به عبارت دیگر، چسب های سیانواکریلاتی که به آنها چسب یک دو، سه هم گفته می شود، عموماً به عنوان چسب ساختاری طبقه بندی می شوند. به هر حال، مقاومت این چسب ها، در برابر حرارت و رطوبت ضعیف است. بنابراین، طبقه بندی چسب ها به عنوان چسب های ساختاری و غیر ساختاری، تنها باید برای تعریف خانواده های کلی چسب ها، استفاده شود و نباید تفاوت های عملکردی آنها، مورد قضاوت قرار گیرد.
خانواده ی چسب های پلیمری می توانند همچنین بر اساس طبیعت شیمیایی/ فیزیکی، به چسب های ترموست، ترموپلاست، الاستومری و یا ترکیبی از آنها، طبقه بندی شوند. چسب های ترموپلاست دارای پیوندهای عرضی نیستند و در صورت اعمال حرارت بر آنها، دوباره به حالت مذاب در می آیند. چسب های توموست موجب می شود تا ساختاری با پیوندهای عرضی ایجاد شود که با حرارت دهی و اعمال حلال، نرم نمی شوند. چسب های الاستومری از رابرهای طبیعی و مصنوعی، مشتق می شوند. این چسب ها، به خاطر ازدیاد طول بالا و استحکام کششی پایین، خاص می باشند. چسب ها الاستومری می توانند به صورت ترموست و یا ترموپلاست باشند. به دلیل قابلیت حرکت نسبی مولکول این چسب ها، چسب های الاستومری ترموست با حرارت دهی به حالت سیال در نمی آیند (برخلاف نوع ترموپلاست آنها). چسب های هیبریدی طبقه ای از چسب ها هستند که مخلوطی از پلیمرها می باشند و بدین صورت، خواص ویژه و خاصی دارند. این مواد عموماً شامل دو یا چند جزء رزینی هستند که هر کدام دارای ویژگی خاصی است. ترکیب این دو رزین موجب تشکیل چسبی می شود که دارای خواصی بین دو رزین است. معمولاً چسب های هیبریدی دارای خاصیت ترموست هستند و به عنوان چسب های ساختاری در نظر گرفته می شوند. خانواده ی این چسب ها، در جدول 2 تا 5 آورده شده اند. آن دسته از رزین های پلیمری که در زیرگروه ترموست و چسب های هیبریدی قرار دارند، دارای استحکام بالا، مقاومت به خزش و مقاومت به عوامل محیطی از جمله حرارت، رطوبت، حلال های مختلف و روغن می باشند. خواص فیزیکی آنها برای کاربردهای چسب های ساختاری، مناسب می باشد.
چسب های الاستومری و ترموپلاست عموماً برای اتصالاتی استفاده نمی شوند که بارگذاری پیوسته بر روی آنها انجام می شود زیرا تمایل آنها تحت بارگذاری، تمایل به خزش دارند. آنها همچنین بوسیله ی بسیاری از شرایط محیطی، تحت خزش قرار می گیرند. این چسب ها، بیشتر در کاربردهای نیازمند به استحکام پایین، استفاده می شوند. چسب های الاستومری بیان کننده ی یک طبقه بندی مجزا از چسب ها می باشند زیرا دارای خواص رئولوژیکی ممتاز هستند. چسب های الاستومری عموماً ترموست هستند اگر چه الاستومرهای ترموپلاستی هم یافت می شوند که در فرمولاسیون چسب، استفاده می شوند. چسب های ترموپلاست عموماً به عنوان چسب های ذوبی و یا محلول ها، امولسیون ها و یا سوسپانسیون ها، طبقه بندی می شوند. آنها عموماً دارای خاصیت گیرش سریع می باشند.

چسب های ساختاری

چسب های ساختاری شامل ترکیبات چسبی هستند که به صورت نرمال، در کاربردهای با استحکام بالا و دائمی، استفاده می شوند. اغلب آنها به عنوان یک راه کار اصلی برای اتصال قطعات، مطرح می شوند. آنها عموماً از رزین های ترموست تشکیل شده اند که نیازمند بوجود آمدن پیوند عرضی در زمان افزودن عامل عمل آوری و یا حرارت دهی، می باشند. انواع رزین های پلیمری که در چسب های ساختاری فرموله می شوند، به عنوان چسب های ترموست و یا چسب های ترکیبی اصلاح شده، می باشند. برخی از الاستومرهای ترموست با استحکام بالا مانند پلی یوریتان، می تواند به عنوان چسب های ساختاری طبقه بندی شوند. خانواده های رزین پلیمری متداول که برای فرموله کردن چسب های ساختاری استفاده می شوند، در ادامه مورد بررسی قرار می گیرند.

اپوکسی ها

چسب های اپوکسی به صورت تجاری در سال 1946 معرفی شدند. این چسب ها دارای کاربردهایی در صنعت اتومبیل، صنایع دیگر و بازار هوافضا هستند. اپوکسی ها، احتمالا متنوع ترین گروه چسب ها می باشند زیرا با آنها بسیاری از زیرلایه ها را می تواند به هم متصل کرد و همچنین می توان با اصلاح آنها، خواص متنوعی بدست آورد. این اصلاحات عموماً به اشکال زیر انجام می شود:
1. افزودن ساده ی پرکننده های و اجزای آلی و غیر آلی
2. انتخاب رزین های اپوکسی مناسب و یا ترکیبی از رزین ها که موجود می باشند
3. اصلاح رزین های منتج شده از طریق انتخاب عوامل عمل اوری و مکانیزم های واکنشی
بنابراین، این صحیح نیست که چسب های اپوکسی را به یک شیوه ی کلی تعریف کرد زیرا این چسب ها، تماماً مشابه هستند. بسته به نوع رزین و عوامل عمل آوری مورد استفاده در فرمولاسیون خاص، چسب های اپوکسی می توانند مجموعه ی گسترده ای از چسب ها را تولید کنند که دارای ویژگی های عمل اوری خاص هستند.
به دلیل ویژگی های ترشوندگی خوب چسب های اپوکسی، این چسب ها، دارای میزان چسبندگی بالایی بر روی تمام زیرلایه ها به جز برخی از زیرلایه های با انرژی سطحی پایین، پلاستیک های با سطوح عمل اوری نشده و الاستومرها، هستند. اپوکسی عمل آوری شده دارای ساختارهای مولکولی ترموست هستند. آنها استحکام کششی- برشی استثنایی دارند اما استحکام پوسته ای شدن آنها ضعیف است مگر آنکه سطح زیرلایه با استفاده از مواد خاص، عمل آوری شود. چسب های اپوکسی دارای مقاومت استثنایی در برابر روغن، رطوبت و بسیاری از حلال ها، دارند. شرینکیج پایین در زمان عمل آوری و مقاومت بالا در برابر خزش تحت تنش های طولانی مدت، ویژگی بسیاری از چسب های اپوکسی با کیفیت می باشد. رزین های اپوکسی در طی عمل آوری، هیچ ماده ی فراری از خود تولید نمی کنند و برای پر کردن شکاف، مناسب می باشند.
چسب های اپوکسی متداول در اصل از یک رزین اپوکسی و یک عامل عمل اوری، تشکیل شده اند. عامل عمل اوری ممکن است در رزین قرار داده شده باشد و یک چسب یک جزئی، بوجود آمده باشد و یا دو جزء به صورت مجزا وجود داشته باشند و یک چسب دو جزئی، تشکیل دهند. این چسب های دو جزئی، پیش از اعمال، با هم مخلوط می شوند. چسب های اپوکسی به صورت تجاری، در اشکال مایع، خمیر، فیلم و جامد موجود می باشند اما برخی از انواع آن، به صورت اشکال با قابلیت اسپری کردن نیز می باشند. لیستی از چسب های اپوکسی انتخاب شده و خواص آنها در جدول 6 آورده شده است. چسب های اپوکسی که به صورت تجاری موجود می باشند، به صورت یک جزئی، چسب های عمل اوری شده با حرارت و یا چسب های چند جزئی هستند که هم در دمای اتاق و هم دمای بالاتر از دمای اتاق، عمل آوری می شوند. عموماً سیستم های اپوکسی که در دماهای بالا عمل آوری می شوند، دارای دانسیته ی پیوند عرضی بالاتر هستند. این مسئله موجب می شود تا چسب های اپوکسی عمل آوری شده در دماهای بالا دارای استحکام برشی بهتری باشند مخصوصاً در دماهای بالا. همچنین مقاومت به محیط این چسب ها نیز استثنایی است.
به هر حال، آنها معمولا دارای تافنس ضعیف و استحکام پوسته ای شدن پایینی هستند.
بسته به رزین های اپوکسی و عوامل عمل آوری شده ی مورد استفاده، فرمولاسیون چسب های عمل آوری شده در دمای اتاق، می توانند در چند دقیقه سخت شوند اما بیشتر سیستم ها، نیازمند زمانی بین 18 تا 72 ساعت برای سخت شدن و رسیدن به استحکام کامل، هستند. چسب های اپوکسی عمل آوری شده در دمای اتاق، می توانند همچنین در دماهای بالا عمل آوری شوند، اگر زمان عمل آوری سریع تری مورد نیاز باشد. زمان عمل اوری عموماً به دما وابسته است و این مسئله در شکل 1 نشان داده شده است. وقتی عوامل عمل آوری به رزین اپوکسی اضافه شود، این چسب ها باید در دوره ی زمانی استفاده شود که به نوع رزین و عامل عمل آوری و همچنین شرایط محیطی، وابسته می باشد. در بیشتر سیستم های دما پایین، دوره ی زمانی بسیار کوتاه است. زمان ماکزیمم بین مخلوط سازی و اعمال، به عنوان عمر گلدانی سیستم در نظر گرفته می شود. برای بیشتر ترکیبات شیمیایی تک جزئی، زمان مجاز بین مخلوط کردن چسب با سخت کننده (که بوسیله ی تولیدکننده ی چسب انجام می شود)، به کاربرد و شرایط ذخیره سازی، وابسته می باشد.
این دوره ی زمانی به عنواع عمر مفید (shelf life) چسب تعریف می شود.
یک واکنش گرمازا در زمان عمل آوری سیستم های چسب اپوکسی، ایجاد می شود. این حرارت، حرارتی است که خود به خود و بواسطه ی انجام فرایند عمل آوری، ایجاد شده است. اگر این گرمازایی کنترل نشود، این مسئله منجر به کاهش عمر مفید و حتی ایجاد وضعیت های خطرناک می شود. در حقیقت این گرمازایی می تواند موجب سوختن سیستم مورد استفاده شود. گرمازایی می تواند با استفاده از کاهش دمای مخلوط مورد استفاده و محدود کردن اندازه ی چسب مورد استفاده، کاهش یابد.
چسب های با عمل آوری در دمای اتاق و دمای بالا در حالتی عمل اوری می شوند که رزین مربوطه سخت شود و اتصال قادر به حرکت نیز باشد و در واقع استحکام به حد استحکام اولیه برسد. این مسئله موجب می شود تا فرصت رهاسازی اتصال و حرکت اجزای اتصال یافته به مرحله ی تولید بعدی، فراهم آید. وقتی به استحکام جابجایی برسیم، این فرصت وجود دارد که بدون مشکل، اتصالات بر روی هم قرار داده شود و بدین صورت با اعمال حرارت و سایر عوامل، به استحکام کامل برسیم. اغلب عملیات های عمل آوری می تواند با برخی از فرایندهای دیگر از جمله عمل آوری با رنگ و خشک کردن اجزا، همراه شود. با تولید کننده های چسب های اپوکسی باید مشورت شود تا بدین صورت، بهترین گزینه انتخاب گردد.
بسیاری از چسب های اپوکسی قادراند در مرحله ی B قرار داشته باشند. رزین مرحله ی B، رزینی ات که یک واکنش محدود بین رزین و سخت کننده در آن انجام شده باشد به نحوی که محصول به صورت نیمه عمل اوری در آید اما به حالت جامد تبدیل نشود. در مرحله ی B چسب های پلیمری هنوز هم قابلیت نفوذ دارند و محلول می باشند. با حرارت دهی بیشتر، چسب ها از حالت B به حالت عمل آوری کامل تبدیل می شوند. مزیت رزین های مرحله ی B این است که آنها را می توان به صورت لایه، پودر و یا یک شکل معین، تبدیل کرد. استفاده کننده می بتواند سپس یک محصول چسبی خریداری کند که نیازمند اندازه گیری و مخلوط کردن، ندارد. ضایعات مرحله ی B بسیار اندک است و آنها عموماً ثبات بیشتری دارند. رزین های اپوکسی مرحله ی B با استفاده از عوامل عمل آوری مانند آمین های آلیفاتیک، پلی آمیدهای آروماتیک به حالت جامد تبدیل می شوند.
اجزای ثانویه ی مربوط به چسب های اپوکسی شامل تینرهای رآکتیو (که برای تنظیم ویسکوزیته استفاده می شوند، پرکننده های معدنی (که برای کاهش هزینه ها استفاده می شوند) و الیاف فیبری (که برای بهبود تیکسوتروپی و استحکام پیوستگی استفاده می شود).
رزین های اپوکسی اغلب با سایر رزین ها اصلاح می شوند و بدین صورت، خواص خاصی در داخل آنها ایجاد می شود که برای کاربرد مورد نظر، مناسب می باشد. سایر اصلاحات انجام شده، شامل افزودن رزین های الاستومری برای بهبود تافنس و یا استحکام پوسته ای شدن این محصولات می باشد.

رزین های اپوکسی

شکل مولکول اپوکسی به گونه ای است که این مولکول حاوی سه حلقه ی حاوی اکسیژن است. این تصویر در زیر آورده شده است.
بیشتر فرمولاسیون های اپوکسی متمرکز بر روی استفاده از دی گلیسیدیل اتر بیس فنول (DGEBA) به عنوان رزین اپوکسی پایه می باشد (شکل 2). رزین DGEBA که در بیشتر فرمولاسیون چسب ها، استفاده می شوند، از واکنش بیس فنول A و اپی کلروهیدرین، تولید می شوند. وقی واحدهای تکرار شونده ی n برابر با 0.1 تا 1.0 باشند، رزین های اپوکسی به صورت نرمال، به صورت مایع های ویسکوز هستند. وقتی n به 2.0 افزایش یابد، رزین جامد می شود و نیاز است تا آن را در داخل یک محلول، حل کرده و یا آن را ذوب کنیم. یکی دیگر از رزین های اپوکسی که اغلب مورد استفاده قرار می گیرد، دی گلیسیدیل اتر مربوط به بی فنول F (DGEBF) است . این رزین دارای ویسکوزیته ی پایینی است به نحوی که می توان به سهولت بیشتر فرمولاسیون های چسب را تولید کرد. بسیاری رزین های اپوکسی دیگر موجود می باشند که بوسیله ی تولیدکننده های چسب، مورد استفاده قرار می گیرند. برخی از این رزین ها، دارای عملکرد چندگانه ای هستند. عموماً هر چه عوامل شیمیایی بیشتر باشند، مقاومت به حرارت و محیط زیست نیز بهبود می یابد اما این مسئله برخی اوقات می تواند منجر به تردی فرمولاسیون شود. رزین های سیکلوآلیقاتیک و سایر رزین های مشتق شده از اپوکسی نیز در کاربردهای خاص، استفاده می شوند. این مواد اغلب مزیت هایی از جمله ویسکوزیته ی پایین، انعطاف پذیری فزاینده، ثبات رنگ بهبود یافته، شفافیت یا فعالیت بالایی دارند. رزین های اپوکسی فلئوردار دما بالا که جزء رزین های جدید محسوب می شوند، ممکن است گستره ی دمایی مفید این چسب را بهبود دهند. دمای تبدیل شدن به حالت شیشه ای تا 554 فارنهایت، برای برخی از انواع این رزین ها، گزارش شده است.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Handbook of adhesives and sealants/ Edxard M. Petrie