تئوری چسبندگی چسب

تنش‌های ناشی از انقباض به دلیل تفاوت در انبساط حرارتی:

وقتی یک چسب مایع به حالت جامد تبدیل می‌شود، استحکام نظری اتصال کاهش می‌یابد که علت آن تمرکز تنش‌های داخلی است که معمولاً در ساختار ایجاد شده است. متداول‌ترین عامل تنش‌های داخلی به دلیل تفاوت در ضرایب انبساط حرارتی چسب و زیرلایه است. این تنش‌ها باید زمانی در نظر گرفته شوند که چسب یا ماده آب‌بندی در دمایی جامد می‌شوند که از دمای نرمال بالاتر است. این مسئله معمولاً در شرایط سرویس‌دهی اجتناب‌ناپذیر است.

تنش‌های ایجاد شده به دلیل تفاوت در انبساط حرارتی می‌توانند قابل توجه باشند. به عنوان مثال، یک یاتاقان را در نظر بگیرید که در آن، یک بخش پلی‌آمیدی-ایمیدی در داخل یک بخش فولادی قرار گرفته است. فرض کنید چسب‌های مورد استفاده در دمای 250 فارنهایت عمل آوری می‌شوند. در این دما، همه زیرلایه‌ها و چسب‌ها در تعادل هستند. با کاهش دما، تنش‌هایی در داخل چسب ایجاد می‌شود که علت آن شرینکیج بیشتر پلی‌آمید-ایمید نسبت به فولاد است. در دمای اتاق، این تنش‌ها ممکن است قابل توجه باشند اما به اندازه‌ای بزرگ نیستند که باعث شکست چسب شوند. حال فرض کنید که یاتاقان در محیطی با دمای بین 250 تا -40 فارنهایت استفاده شود. در دمای 250 فارنهایت، تنش‌های داخلی به دلیل تفاوت در انبساط حرارتی به صفر می‌رسد و به شرایط تعادلی باز می‌گردیم.

با این حال، وقتی دمای سرویس‌دهی به -40 فارنهایت کاهش می‌یابد، تفاوت در انبساط حرارتی تنش‌های داخلی ایجاد می‌کند که به تنش‌های ناشی از عمل‌آوری اضافه می‌شوند و باعث شکست می‌شود.

یک مثال ساده با نمودار نمونه‌ای از اتصال‌های ایجاد شده با چسب‌های با دمای عمل آوری بالا قابل مشاهده است. استحکام پیوند با افزایش دما تا یک حد ماکزیمم افزایش یافته و سپس کاهش می‌یابد. این مشابه موردی است که تنش‌های داخلی با افزایش دمای سرویس‌دهی کاهش می‌یابند. وقتی دما به حدی بالا می‌رود که تنش‌های داخلی کاملاً آزاد می‌شوند، استحکام پیوند به حداکثر می‌رسد. دمایی که این اتفاق می‌افتد نزدیک به دمای عمل‌آوری است. در دماهای بالاتر، تنش‌های اضافی ایجاد می‌شود و یا اثرات تخریب حرارتی مشهود شده و استحکام پیوند کاهش می‌یابد.

چندین راه‌حل برای مشکل عدم تطابق ضریب انبساطی وجود دارد. یکی از آنها استفاده از چسب انعطاف‌پذیر است که با تغییرات زیرلایه تغییر شکل می‌دهد، هرچند که چسب‌های انعطاف‌پذیر معمولاً استحکام پیوستگی پایینی دارند. روش دیگر تنظیم ضریب انبساط حرارتی چسب‌ها نزدیک به ضریب انبساط حرارتی زیرلایه با انتخاب چسب متفاوت یا تغییر فرمولاسیون چسب است. راه‌حل سوم پوشش‌دهی زیرلایه‌ها با ماده‌ای مثل پرایمر یا عامل امتزاج‌دهنده است که حالت رهایشی برای تفاوت ضریب انبساط حرارتی ایجاد می‌کند.

تنش‌های عمل‌آوری ایجاد شده به دلیل شرینکیج چسب یا ماده آب‌بندی:

تقریباً تمام مواد پلیمری در طی جامد شدن انقباض دارند. برخی اوقات، به دلیل خروج حلال وزن خود را از دست می‌دهند. حتی چسب‌های 100% راکتیو مانند چسب‌های اپوکسی و یوریتانی نیز مقداری انقباض دارند زیرا توده پلیمری شده آنها حجم کمتری نسبت به عوامل مایع اولیه دارد. جدول 1 نشان‌دهنده انقباض حجمی نمونه‌وار برای سیستم‌های چسب راکتیو در طی عمل‌آوری است.

نتیجه این انقباض، ایجاد تنش‌های داخلی و تشکیل ترک و تخلخل در خطوط اتصال است. چسب‌های الاستیک تحت تنش‌های داخلی تغییر شکل داده و کمتر تحت تأثیر انقباض قرار می‌گیرند. متخصصین فرمولاسیون اغلب قادر به تنظیم سختی نهایی چسب یا ماده آب‌بندی هستند تا قابلیت به حداقل رساندن تنش در طی انقباض فراهم شود.

عملکرد در حین سرویس‌دهی:

وقتی مکانیزم جامد شدن کامل می‌شود، اتصال معمولاً تحت شرایط کاری قرار می‌گیرد. محیط سرویس‌دهی ممکن است شامل دماهای بالا، تنش‌ها، مواد شیمیایی، تابش و یا دیگر موارد باشد. مهم است که اتصال در برابر شرایط محیطی مقاوم باشد تا استحکام کاری عملی در طول عمر مفید چسب حفظ شود. اثر شرایط سرویس‌دهی بر روی اتصال چسبی عمدتاً ایجاد تنش‌های متمرکز و یا پیر شدن به دلیل برخورد عوامل محیطی است.

اثرات کوتاه‌مدت

تنش‌های متمرکز عمدتاً به دلیل اثرات فوری دما و تفاوت ضرایب انبساطی ایجاد می‌شوند. اثر این تفاوت ضرایب انبساطی بر روی تنش‌های داخلی که در حین عمل‌آوری به وجود می‌آیند، در بخش‌های بعدی توصیف خواهد شد. با این حال، تنش‌های حرارتی می‌توانند به سهولت در طی عمر مفید اتصال ایجاد شوند.

برای کاهش چنین تنش‌هایی، معمولاً از مواد انعطاف‌پذیر استفاده می‌شود یا تطابق ضرایب انبساطی افزایش می‌یابد. ضریب انبساط چسب‌ها و مواد زیرلایه باید تا حد امکان به هم نزدیک باشد تا میزان تنش‌های ایجاد شده محدود گردد. چسب‌های پلیمری عموماً دارای ضریب انبساط حرارتی بزرگ‌تری نسبت به فلزات هستند. ضریب انبساط حرارتی چسب‌ها می‌تواند با استفاده از پرکننده‌های مختلف اصلاح شود. یک چسب الاستیک قادر است تا تنش‌های داخلی موجود در ساختار خود را تحمل کند.

وقتی اتصال چسب ایجاد شده و در شرایط سرویس‌دهی قرار داده می‌شود، سایر نیروها نیز موجب تضعیف این پیوند می‌شوند. نوع تنش‌های ایجاد شده، منشأ آنها و نرخ اعمال تنش‌ها در اینجا مهم است. وقتی یک اتصال به صورت پیوسته جدا می‌شود، این به دلیل شکسته شدن پیوندهای قوی در داخل زنجیره‌های مولکولی یا گسستگی پیوندهای ضعیف میان این زنجیره‌ها است. جدایش پیوند می‌تواند به صورت آهسته یا سریع انجام شود.

ترک زمانی ایجاد می‌شود که تنش متمرکز به اندازه‌ای بزرگ شود که موجب جدایش فیزیکی بخش‌های کنار هم شود. پلیمرهای کریستالی یا دارای پیوندهای عرضی معمولاً تمایل به ترک خوردن دارند و تمایل کمتری به خزش دارند. وقتی جدایش پیوند در زمان شکست پیوند ظاهر می‌شود، این معمولاً به دلیل ایجاد ترک بر روی سطح مشترک یا جایگزینی چسب یا زیرلایه توسط یک ماده شیمیایی است. ترک‌ها ممکن است از تنش‌های داخلی یا خارجی ایجاد شوند.

خزش زمانی رخ می‌دهد که نیروی کافی به یک توده خطی از مولکول‌ها اعمال شده و نظم کریستالی آنها را از بین ببرد. خزش یک فرایند آهسته است که در دماهای بالاتر از دمای انتقال به حالت شیشه‌ای (T_g) چسب تسریع می‌شود. پلیمرهای دارای T_g پایین نمی‌توانند در جاهایی استفاده شوند که نیروهای بزرگ در دماهای متوسط به اتصال اعمال می‌شود. پیوند عرضی موجب کاهش خزش می‌شود زیرا بخش‌های پلیمری توسط ساختار شبکه‌ای ثابت می‌شوند و نمی‌توان آنها را به سهولت حرکت داد.

اثرات بلندمدت

تنش‌های خارجی مخرب ممکن است منشأ مکانیکی، گرمایی یا شیمیایی داشته باشند. دما، رطوبت، اسپری نمک، مایعات، گازها، بارهای مکانیکی، تابش و خلأ از متداول‌ترین شرایط محیطی خورنده و تخریب‌کننده هستند. آنها ممکن است به اندازه‌ای تخریب ایجاد کنند که موجب شکست‌های زودهنگام شوند. مقاومت محیطی مورد نیاز به کاربرد وابسته است و این الزامات باید پیش از پیکربندی اتصال نهایی و انتخاب ماده در نظر گرفته شوند.

بارهای پایدار می‌تواند موجب شکست‌های زودهنگام شوند، هرچند اتصال‌های بدون بار نیز ممکن است در چنین محیط‌هایی استحکام کافی نداشته باشند. اثرات همزمان انواع مختلف تنش (مکانیکی و شیمیایی) ممکن است اغلب همپوشانی کنند و موجب بروز شکست شوند. تغییر دمایی و بارهای سیکلی می‌توانند موجب کاهش دوام اتصال شوند.

زمان‌هایی وجود دارد که اتصال بدون تنش و عمل‌آوری شده، بدون دلیل مشخصی می‌شکند. این مسئله به دلیل پیرشدگی در چسب است که ممکن است در بارهای متوسط یا اندک رخ دهد. وقتی رفتار این نوع اتصال‌ها در نظر گرفته می‌شود، عامل ایجاد کننده اغلب دفع گزارش می‌شود. این واژه به معنای جایگزینی چسب از سطح توسط عوامل شیمیایی یا بروز این مشکل در زیرلایه است. در یک اتصال به زیرلایه، یک تعادل دینامیکی میان چسب و سایر مولکول‌ها وجود دارد. آب، حلال‌ها، پلاستیسایزرها و مواد مختلف می‌توانند با این اتصال‌ها رقابت کنند. رطوبت متداول‌ترین عامل مزاحم در این زمینه است. اتصال‌ها در صورتی در برابر مسئله دفع مقاوم هستند که اتصال زیرلایه-چسب از لحاظ ترمودینامیکی یا کینتیکی مطلوب باشد. برخی عوامل امتزاج‌دهنده متداول موجب تشکیل یک لایه نازک میان زیرلایه و چسب می‌شوند که دارای قرابت بالایی با هر دو ماده است و می‌توانند به راحتی جایگزین مولکول‌های زائد شوند.