مترجم: حبیب الله علیخانی
منبع:راسخون
منبع:راسخون
مقدمه
برای اینکه یک چسب و یا ماده ی آب بندی مفید باشد، این ماده نه تنها باید در برابر نیروهای مکانیکی مقاومت کند بلکه همچنین باید در برابر عواملی که در حین سرویس دهی، بر روی آن اثر می کنند، نیز مقاومت کند. بنابراین، یکی از مهم ترین ویژگی های مربوط به یک اتصال چسبی یا آب بندی، استقامت آن در برابر محیط های عملیاتی است. این مقاومت همچنین به عنوان کارایی و یا دوام اتصال، تلقی می شود. استحکام و کارایی بوسیله ی بسیاری از المان های محیطی متداول تحت تأثیر قرار می گیرند. این المان ها شامل دماهای بالا یا پایین، رطوبت نسبی، سیال های شیمیایی و هوازدگی در محیط های خارجی. جدول 1 نشاندهنده ی مقاومت نسبی انواع مختلف چسب ها نسبت به محیط های عملیاتی متداول می باشد.
نتایج محیطی به حدی شدید است که معمولاً علاوه بر انجام آزمون های آزمایشگاهی، نیاز به انجام آزمون بر روی اتصال های آماده شده و تحت شرایط سرویس دهی واقعی، وجود دارد. پارامترهایی که معمولاً بر روی دوام اتصال مؤثرند، عبارتند از:
• ماکزیمم سطح تنش
• متوسط سطح تنش ثابت
• طبیعت و نوع محیط موجود
• اثرات سیکلی تنش و محیط
• زمان برخورد با شرایط سخت
در کاربردهایی که المان های تخریب کننده، وجود دارد، چسب های مناسب باید تحت شرایط سرویس دهی شبیه سازی شده، مورد آزمایش قرار گیرند. آزمون برشی لبه روی لبه مانند استاندارد ASTM D 1002 وجود دارد که در آنها از یک نرخ منفرد برای شبیه سازی شرایط استاندارد استفاده می شود. البته در این حالت اطلاعات بهینه در مورد عمر سرویس دهی اتصال، بدست نمی آید. اطلاعات مهم مانند بار ماکزیممی که اتصال می تواند در برابر آن مقاومت کند، و همچنین اثرات محیط های مختلف بر روی این اتصال ها، می تواند با چند آزمون آدرس دهی شود. جدول 2 لیستی از آزمون های محیطی ASTM است که اغلب در مقاله ها گزارش شده است.
برای مثال، برخورد با دماهای بالا می تواند منجر به اکسیداسیون و یا پیرولیز و یا تغییر در ویژگی های رئولوژیگی چسب ها، شود. بنابراین، نه تنها استحکام پیوستگی چسب با افزایش دما، افت می کند، بلکه همچنین با افزایش دما، قابلیت جذب تنش ها به دلیل انبساط حرارتی و ضربه، افت می کند. محیط های شیمیایی می توانند موجب ایجاد خوردگی در سطح مشترک شوند. به هر حال، این چسب ها ممکن است انعطاف پذیر تر شود و قابلیت تحمل در برابر سیکل های تنشی در آنها بهبود یابد. علت این مسئله، اثر نرم شدگی شیمیایی می باشد. برخورد با یک محیط شیمیایی ممکن است همچنین موجب جایگزینی عناصر در چسب شود که این مسئله نیز موجب تضعیف لایه های مرزی چسب می شود. آنها نه تنها به نوع و میزان خوردگی محیط وابسته اند بلکه همچنین این سخت است که این اثرات بتوانند در زمان های متفاوت رخ دهند. چیزی که موجب می شود تا تخمین عمر مفید این چسب ها مشکل شود، تغییر این عوامل در طی زمان می باشد.
اگر تنها یک پارامتر در طی برخورد با محیط تغییر کند، کاربرد روش های آزمون تشدید شده و تجزیه و تحلیل های موجود ممکن است منجر به اطلاعات مفیدی در مورد عمر مفید اتصال شود. در مورد صنعت عایق کاری الکتریکی، نمودارهای آرنیوسی اغلب برای پیش بینی عمر مفید مواد عایق کاری استفاده می شود. این مسئله با بررسی فاکتورهای دما و سایر فاکتورهایی انجام می شود که به نظر مینیمم می باشد. به هر حال، یک سری واکنش ها در سطح مشترک اتصال ایجاد می شود و هر یک از این واکنش ها، می تواند بر روی فاکتور دیگر مؤثر باشد. وظیفه ی دشوار تعیین پایان عمر یک اتصال، مسئله ی چالش برانگیز در علم چسب و مواد آب بندی می باشد، مخصوصاً در صنعت ساختمان.
در این مقاله، ما هم اثرات محیطی و هم اثرات منفرد مؤثر برر اتصال را مورد بررسی قرار می دهیم و همچنین اثر هم زمان این عوامل را نیز مورد بررسی قرار می دهیم. ریشه ی عواملی که موجب تخریب محیطی می شود، مطالعه خواهد شد به نحوی که قضاوت بهتری در مورد عمر مفید اتصال ها بدست آید. این مقاله با ارائه ی پیشنهادهایی موجب بهبود دوام اتصال می شود و به عنوان یک چارچوبی برای بررسی های بیشتر در این زمینه می باشد.
دماهای بالا
فاکتورهای مؤثر بر مقاومت دمایی
تمام مواد پلیمری با برخورد با دماهای بالا، تا حدی تخریب می شوند. نه تنها خواص فیزیکی در برخورد با دماهای بالا، تخریب می شود بلکه همچنین خواص دیگر ماده نیز در زمان برخورد طولانی مدت با دماهای بالا، تخریب می شود. چندین سوال مهم در مورد چسب یا ماده ی آب بندی که می خواهد در دماهای بالا قرار گیرد، باید در نظر گرفته شود. چه دمایی، دمای ماکزیممی است که اتصال می تواند در طی عمر مفید خود، تحمل کند؟ دمای متوسطی که اتصال می تواند تحمل کند، چه میزان است؟ به طور ایده آل، می توان یک توصیف در مورد رابطه ی میان دما- زمان برای این مواد، تعریف کرد. این داده ها شامل تغییر دما در زمان های مختلف و نرخ های مربوط به دوام ماده در دماهای بالا می باشد. اثرات کوتاه مدت دماهای بالا در اصل آنهایی هستند که به خاطر افزایش در موبیلیته ی مولکولی چسب و یا ماده ی آب بندی، ایجاد می شود. بنابراین، بسته به نوع چسب، اتصال ممکن است تافنس قابل توجه داشته باشد اما استحکام برشی آن کم باشد. محصولات خاصی در زمان برخورد با دماهای بالا، نرم می شوند و تحت خزش قرار می گیرند به هر حال، برخورد دراز مدت با دماهای بالا ممکن است موجب ایجاد چندین واکنش در چسب یا ماده ی آب بندی شود. این مکانیزم ها می تواند موجب تضعیف پیوستگی و چسبندگی پیوند شود. این واکنش ها که بر روی خواص بالک ماده اثرگذارند، اکسیداسیون و پیرولیز نامیده می شوند. پیرسازی گرمایی می تواند همچنین بواسطه ی تغییرات شیمیایی و فیزیکی بر روی سطح مشترک، اثرگذار باشند.اگر حرارت دهی بر روی یک چسب بدون پیوند عرضی در دماهای بالاتر از دمای شیشه ای شدن، انجام شود، مولکول ها به حدی انعطاف پذیر می شوند که استحکام پیوستگی آنها به طور قابل توجهی کاهش می یابد. در راین شرایط، چسب مستعد خزش می شوند و نفوذ مواد شیمیایی یا رطوبت در آنها افزایش می یابد. عموماً حرارت دهی طولانی مدت در دماهای بالا، منجر به اثرهای زیر در چسب های با پیوند عرضی می شود:
• گسستگی در زنجیره ی مولکولی، منجر به کاهش وزن مولکولی، استحکام پیوستگی و ایجاد محصولات فرعی می شود.
• ایجاد پیوندهای عرضی پیوسته منجر به تردی پیوند و شرینکیج می شود.
• تبخیر پلاستیسایزر، منجر به تردی پیوند می شود.
• اکسیداسیون منجر به کاهش استحکام پیوستگی و تضعیف لایه های مرزی می شود.
بیشتر چسب ها و مواد آب بندی مصنوعی، به سرعت در دماهای سرویس دهی بالاتر از 300 فارنهایت، تخریب می شود. به هر حال، چندین ماده ی پلیمری می توانند به صورت پیوسته در برابر دماهایی تا 500 الی 600 فارنهایت، مقاومت کنند. البته در صورتی که مدت زمان برخورد کاهش یابد، دماهای بالاتر نیز بوسیله ی این پلیمرها، قابل تحمل می باشد. برای استفاده از این مواد، باید هزینه ی بالاتری برای چسب داد و همچنین زمان عمل آوری و فشار اعمالی در این چسب ها، بالاتر است. مقاومت طولانی مدت در دماهای بالاتر از 500 الی 600ف می تواند در سایر مواد غیر آلی نیز یافت شود. Lee چسب های دما بالا را به سه بازه ی دمایی تقسیم بندی کرده است (جدول 3).
اکسیداسیون گرمایی که در زنجیره ی مولکولی رخ می دهد، منجر به ایجاد اتلاف در وزن، استحکام، ازدیاد طول و تافنس چسب و ماده ی آب بندی می شود. شکل 1 نشاندهنده ی اثر اکسیداسیون در اتصال های چسبی پیرسازی شده در محیط دما بالا و گازهای خنثی می باشد.
نرخ تخریب استحکام پیوند در هوا، به دما، نوع چسب، نرخ جریان هوا و حتی نوع سطح اتصال، وابسته می باشد. برخی از سطوح چسبندگی ایجاد شده بین فلز و چسب، به صورت شیمیایی مستعد اکسیداسیون هستند. برای مثال، این فهمیده شده است که تمام انواع چسب های ساختاری در زمان اتصال دهی به آلومینیوم، پایداری گرمایی بهتری نسبت به حالتی دارند که اتصال دهی با فولاد ضد زنگ و یا تیتانیم انجام می شود (شکل 1).
پیرولیز یک تخریب ساده در زنجیره ی مولکولی پلیمر می باشد که در رزین مربوط به چسب یا ماده ی آب بندی، رخ می دهد. پیرولیز منجر به ایجاد گسستگی در زنجیره ی پلیمری می شود و موجب کاهش وزن مولکولی پلیمر بالک می شود. به عنوان یک نتیجه، بسیاری از رزین های پایه مورد استفاده در فرمولاسیون های چسب های دما بالا، دارای پیوندهای عرضی صلب هستند و از یک چارچوب مولکولی تشکیل شده اند که ساختاری نردبانی دارد. ساختار نردبانی از زنجیره های آروماتیک و حلقه های هتروسیکلیکی در زنجیره ی اصلی، تشکیل شده اند. ساختارهای نردبانی انرژی تفکیک پیوند بالایی ایجاد می کند و به عنوان یک سینک انرژی در محیط، عمل می کند. به شکل 2 نگاه کنید. در این تصویر یک تخریب زنجیره ای کامل که منجر به کاهش در وزن مولکولی می شود، نشان داده شده است.
به منظور در نظر گرفتن یک ماده ی مناسب برای کاربردهای دما بالا، یک چسب باید تمام عملکردهای مفید و مورد نیاز برای چسبندگی را مهیا کند. این عملکردها، عبارتند از ترشوندگی، شرینکیج پایین در زمان عمل آوری، تطابق ضریب انبساط حرارتی با زیرلایه و ... . همچنین این چسب باید الزامات زیر را برطرف کند:
1. نقطه ی ذوب شدن و یا نرم شدن بالا
2. مقاومت در برابر تخریب اکسایشی
3. مقاومت در برابر برش زنجیره ای القا شده با حرارت
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Handbook of adhesives and sealants/ Edxard M. Petrie
