-
شیمی چسب
شیمی چسب
دید کلی
ساخت و مصرف چسب از گذشته رایج بوده است. در قدیم ، از موادی چون قیر و صمغ درختان به عنوان چسب استفاده می‌کردند. در تمام قرون گذشته و همچنین قرن نوزدهم چسب‌ها منشاء حیوانی و یا گیاهی داشته‌اند. چسبهای حیوانی بطور عمده بر مبنای کلوژن مامالیام Mammaliam بودند که پروتئین اصلی پوست ، استخوان و رگ و پی است و چسبهای گیاهی از نشاسته و دکسترین دانه‌های گندم ، سیب زمینی و برنج تهیه می‌شدند.
کاربردهای متنوع چسب
از قرن نوزدهم بتدریج با پیدایش چسبهای سنتتیک ساخته شده در صنعت پلیمر ، چسبهای سنتی و گیاهی و حیوانی از صحنه خارج شده است. صنعت چسب به صورت گسترده ای در حال رشد می‌باشد و تعداد محدودی وسایل مدرن ساخت بشر وجود دارد که از چسب در آنها استفاده نشده است. در اتصالات اغلب وسایل از یک جعبه بسیار ساده غلات گرفته تا هواپیمای پیشرفته بوئینگ 747 از چسب استفاده شده است.
امکانات بشر می‌تواند بوسیله چسب‌ها اصلاح گردد. این مطلب ، شامل استفاده از سیمان‌های سخت شده توسط UV در دندانپزشکی و سیمان‌های پیوند آکلریلیک در جراحی استخوان می‌باشد. پیشرفت جدیدی که اخیرا در کاربرد چسب حاصل گشت، اتصال ریل‌های فولادی و تراموای جدید شهر منچستر بود. چسب‌ها نه تنها برای موادی که بایستی چسبانده و بهم پیوسته شوند، بلکه در ایجاد چسبندگی برای موادی از قبیل جوهر تحریر ، رنگها و سایر سطوح پوششی ، وسایل بتونه کاری و وجوه میانی در مواد ترکیبی از قبیل فولاد یا بافت پارچه ، در تایرهای لاستیکی و شیشه یا الیاف در پلاستیک‌ها ضروری هستند.
اجزای تشکیل دهنده چسب‌ها
مواد پلیمری
چسب‌ها ، همگی حاوی پلیمر هستند یا پلیمرها در حین سخت شدن چسب‌ها بوسیله واکنش شیمیایی پلیمر شدن افزایشی یا پلیمر شدن تراکمی حاصل می‌شوند. پلیمرها به چسب‌ها قدرت چسبندگی می‌دهند. می‌توان آنها را به صورت رشته‌هایی از واحدهای شیمیایی همانند که بوسیله پیوند کووالانسی به هم متصل شده‌اند، در نظر گرفت.
پلیمرها در دماهای بالا روان می‌گردند و در حلال‌های مناسب حل می‌گردند. خاصیت روان شدن آنها در چسبهای حرارتی و خاصیت حل شوندگی آنها در چسبهای بر پایه حلال ، یک امر اساسی می‌باشد. پلیمرهای شبکه‌ای در صورت گرم شدن جریان نمی‌یابند، ممکن است در حلال‌ها متورم گردند، ولی حل نمی‌شوند. تمامی چسبهای ساختمانی ، شبکه‌ای هستند، زیرا این مورد خزش (تغییر شکل تحت بار ثابت) از بین می‌برد.
افزودنیهای دیگر
بسیاری از چسب‌ها ، علاوه بر مواد پلیمری دارای افزودنیهایی هستند از قبیل:
* مواد پایدار کننده در برابر تخریب توسط اکسیژن و UV.
* مواد نرم کننده که قابلیت انعظاف را افزایش می‌دهد و دمای تبدیل شیشه‌ای (Tg ) را کاهش می‌دهد.
* مواد پر کننده معدنی که میزان انقباض در سخت شدن را کاهش می‌دهد و خواص روان شدن را قبل از سخت شدن تغییر می‌دهد و خواص مکانیکی نهایی را بهبود می‌بخشد.
* مواد تغلیظ کننده.
* معرف های جفت کننده سیلانی.
تئوریهای چسبندگی
درباره چسبندگی شش تئوری وجود دارد که عبارتند از:
تئوری جذب فیزیکی
جذب فیزیکی شامل نیروهای وان‌دروالسی در بین سطوح می‌باشد که در بر گیرنده جاذبه‌های بین دو قطبی‌های دائم و دو قطبی القایی و نیروهای لاندن می‌باشد.
تئوری جذب شیمیایی
تئوری پیوند شیمیایی در مورد چسبندگی ، بر اساس تشکیل پیوندهای کووالانسی ، یونی و هیدروژنی بین سطح می‌باشد. مدارکی مبنی بر اینکه پیوندهای کووالانسی با عوامل جفت کنندگی سیلانی تشکیل می‌شود، وجود دارد و ممکن است که چسب‌ها شامل گروههای هیدروکسی یا آمین باشند که با اتم‌های هیدروژن فعال از قبیل گروههای هیدروکسیل ، اگر چوب یا کاغذ اجزا مورد عمل باشند، پیوند هیدروژنی ایجاد می‌کنند.
تئوری نفوذ
تئوری نفوذ این دیدگاه را مطرح می‌کند که پلیمرها هنگام تماس ممکن است در همدیگر نفوذ کنند. بنابراین مرز درونی سرانجام برداشته می‌شود و نفوذ پلیمرها در صورتی اتفاق می‌افتد که زنجیرهای متحرک و سازگار باشند. به عبارت دیگر ، دما باید از دمای تبدیل شیشه‌ای بالاتر رود.
تئوری الکتروستاتیک
تئوری الکتروستاتیک ، از این طرح سرچشمه گرفته است که وقتی دو فلز در تماس با یکدیگر باشند، الکترون‌ها از یکی به دیگری منتقل می‌شوند و بنابراین یک لایه مضاعف الکتریکی تشکیل می‌گردد که نیروی جذب را نشان می‌دهد. چون پلیمرها ، نارسانا هستند، مشکل به نظر می‌رسد که این تئوری برای چسب‌ها کاربرد داشته باشد.
تئوری پیوند درونی مکانیکی
اگر سطحی را که می‌خواهیم روی آن چیزی بچسبانیم، دارای سطحی نامنظم باشد آنگاه ممکن است چسب در ناهمواری‌های سطح ، قبل از سخت شدن داخل شود. این ایده ، باعث ظهور این تئوری شد که به اتصالات چسب با مواد متخلخل از قبیل چوب و نسوجات بسط داده شد. مثالی از این قبیل ، عبارت از استفاده از اتو در لایه چسب و در لباس می‌باشد. لایه چسب‌ها ، حاوی چسبهای ذوبی هستند که پس از ذوب در پارچه نفوذ می‌کنند.
تئوری لایه مرزی ضعیف
تئوری لایه مرزی ضعیف ، پیشنهاد می‌کند که سطوح تمیز ، پیوندهای قوی‌تری با چسب ایجاد می‌کنند. اما برخی آلودگیها از قبیل زنگ و روغن یا گریسها ، لایه ای ایجاد می‌کنند که چسبندگی ضعیفی دارد. همه آلودگیها ، لایه مرزی ضعیف تشکیل نمی‌دهند، زیرا در برخی حالات ، آنها توسط چسب حل خواهند شد. در این محدوده ، چسبهای ساختمانی آکریلیک ، برتر از اپوکسیدها هستند و این ، بدلیل توانایی آنها برای حل کردن روغن‌ها و گریسها می‌باشد.
آماده سازی سطح برای چسبندگی
آماده سازی نامناسب یا نادرست سطح ، احتمالا دلیل عمده شکسته شدن اتصالات چسبی می‌باشد. آماده سازی سطح یک جسم با روش‌های زیر انجام می‌گیرد: روش های سائیدگی ، استفاده از حلال‌ها ، تخلیه شعله وکرونا ، حک کردن تفلون ، حک کردن فلزات ، آندی کردن فلزات ، استفاده از چند سازه ها.
انواع چسب‌ها
چسب‌هایی که توسط واکنش شیمیایی سخت می‌شوند
چسبهای اپوکسیدی:
اپوکسیدها ، بهترین نوع چسبهای شناخته شده ساختمانی هستند و بیشترین کاربرد را دارند. رزین اپوکسی که اغلب در حالت معمول استفاده می‌شود، معمولا دی گیلیسریل اتراز بیس فنل DGEBA)A) نامیده می‌شود و بوسیله واکنش نمک سدیم از بیس فنل A با اپی کلروهیدرین ساخته می‌شود. آمینهای آروماتیک و آلیفاتیک به عنوان عامل سخت کننده استفاده می‌شوند. این چسب‌ها به چوب ، فلزات ، شیشه ، بتن ، سرامیک‌ها و پلاستیکهای سخت بخوبی می‌چسبند و در مقابل روغن‌ها ، آب ، اسیدهای رقیق ، بازها و اکثر حلال‌ها مقاوم هستند. بنابراین کاربرد بیشتری در چسباندن کفپوش‌های وینیلی در سرویس‌ها و مکان‌های خیس و به سطوح فلزی دارند.
چسبهای فنولیک برای فلزات:
وقتی که فنل با مقدار اضافی فرمالدئید تحت شرایط بازی در محلول آبی واکنش کند، محصول که تحت عنوان رزول شناخته شده و الیگومری شامل فنل‌های پلدار شده توسط اتروگرومتیلن روی حلقه‌های بنزن می‌باشد، بدست می‌آید. برای جلوگیری از تشکیل حفره‌های پر شده از بخار ، اتصالات چسبهای فنولیک تحت فشار ، معمولا بین صفحات پهن فولادی گرم شده توسط پرس هیدرولیک سخت می‌شوند. بدلیل شکننده بودن فنولیکها ، پلیمرهایی از جمله پلی وینیل فرمال ، پلی وینیل بوتیرال ، اپوکسیدها و لاستیک نیتریل اضافه می‌شود تا سخت‌تر گردند.
چسبهای تراکمی فرمالدئید برای چوب:
تعدادی از چسبهای مورد استفاده برای چوب نتیجه تراکم فرمالدئید با فنول و رزوسینول (1و3 دی هیدروکسی بنزن) هستند. بقیه با اوره یا ملامین متراکم می‌شوند.
چسبهای آکریلیک:
چسبهای ساختاری شامل منومرهای آکریلیک توسط افزایشی رادیکال آزاد در دمای محیط سخت می‌شوند. منومر اصلی ، متیل متاکریلات (MMA) می‌باشد، اما موارد دیگری از قبیل اسید متاکریلات برای بهبود چسبندگی به فلزات بوسیله تشکیل نمکهای کربوکسیلات و بهبود مقاومت گرمایی و اتیلن گلیکول دی متیل اکریلات برای شبکه‌ای کردن نیز ممکن است مورد استفاده قرار گیرد.
کلروسولفونات پلی اتیلن ، یک عامل سخت کننده لاستیک است و کیومن هیدورپراکساید و N,N دی متیلن آنیلین ، اجزاء یک آغازگر اکسایشی- کاهشی هستند. پیوند دهنده هایی که برای اتصالات محکم مصنوعی به استخوان‌های انسان و پوششهای چینی برای دندان‌ها استفاده می‌شود نیز بر مبنای MMA هستند و بطورکلی برای جسباندن فلزات ، سرامیک‌ها ، بیشتر پلاستیک‌ها و لاستیک‌ها استفاده می‌شود و اتصالات پرقدرتی را ایجاد می‌کنند.
چسبهای غیر هوازی:
چسبهای غیر هوازی در غیاب اکسیژن که یک بازدارنده پلیمر شدن است، سخت می‌گردد. این چسب‌ها اغلب بر پایه دی متاکریلات‌هایی از پلی اتیلن گلیکول هستند. کاربرد این چسب‌ها ، اغلب در محل اتصال چرخ دنده ها ، تقویت اتصالات استوانه‌ای و برای دزدگیری می‌باشد.
چسب های پلی سولفیدی:
پلی سولفیدها در ابتدا به عنوان دزدگیر استفاده می‌شدند و یک کاربرد مهم دزدگیری لبه‌های آینه‌های دوبل می‌باشد. هر دو برای اینکه واحدها را باهم نگه دارند و مانعی در برابر نفوذ رطوبت ایجاد کنند. آنها به وسیله بیس (2- کلرواتیل فرمال) با سدیم پلی سولفید تهیه می‌شوند و به منظور کاهش قیمت از پرکننده های معدنی استفاده می‌شود. به عنوان نرم کننده ، از فتالات‌ها و معرف‌های جفت کننده سیلانی استفاده می‌شود و عامل سخت کننده آنها شامل دی اکسید منگنز و کرومات هستند.
سفت شدن لاستیکی چسبهای ساختمانی:
بسیاری از چسبهای ساختمانی ، پلیمرهای لاستیکی حل شده ای در خودشان دارند. وقتی که چسب‌ها سخت می‌شوند، لاستیک به صورت قطراتی با قطر حدود 1µm رسوب می‌کند. لاستیکهای استفاده شده در این روش شامل پلی وینیل فرمال (pvf) و پلی وینیل بوتیرال (PVB) هستند که هر دو بوسیله واکنش آلدئید مناسب با پلی وینیل الکل ساخته می‌شوند.
سیلیکون‌ها:
چسبهای یک جزئی سیلیکون اغلب به چسبهای ولکانیزه شونده در دمای اطاق (rtv) معروفند و شامل پلی دی متیل سیلوکسان (PDMS) با جرم‌های مولکولی در محدود 1600-300 با گروههای انتهای استات ، کتوکسیم یا اتر هستند. این گروهها توسط رطوبت اتمسفر ، هیدرولیز شده ، گروههای هیدروکسیل تشکیل می‌دهند که بعدا با حذف آب متراکم می‌شوند.
چسبهای سیلیکونی نرم و مطلوب هستند و دارای مقاومت محیطی و شیمیایی خوبی هستند. این چسب‌ها به عنوان بهترین پوشش برای استفاده در حمام شناخته شده‌اند.
چسب‌هایی که بدون واکنش شیمیایی سخت می‌شوند
این چسب‌ها شامل سه نوع زیر می‌باشند
* چسب‌هایی که در اثر حذف حلال سخت می‌شوند:
* چسبهای تماسی: چسبهای تماسی احتمالا از معروف‌ترین چسب‌ها بر پایه حلال هستند. این‌ها محلول‌هایی از پلیمر در حلال آلی هستند که در دو سطح بکار می‌روند تا متصل شوند. ماده اصلی این چسب‌ها ، لاستیک پلی کلروپرن (پلی کروپرن ، پلی کلرو بوتادین) است و برای چسباندن روکش‌های تزئینی و پلاستیکهای محکم دیگر مثل ABS , DVC به چوپ و محصولات فلزی و چسبهای تماسی DIY برای تخت کفش بکار می‌روند.
* چسبهای پمادی: چسبهای بر پایه حلال مشهور که در ظروف پماد مانند به عموم فروخته می‌شوند، اغلب محلول‌هایی از لاستیک نیتریل (همی‌پلیمر یا بوتادین و آکریلونیتریل) در حلال‌های آلی هستند.
* چسب‌هایی که با از دست دادن آب سخت می‌شوند:
* محلول‌های آبی و خمیرها: نشاسته ، ذرت و غلات ، منابع عمده برای استفاده چسب هستند. موارد مصرف عمده برای چسباندن کاغذ ، مقوا و منسوجات می‌باشد. کاربردهای آن شامل صفحات موجدار ، پاکتهای کاغذی ، پنجرگیری تیوپ ، چسباندن کاغذ دیواری و چسبهای تر شدنی مجدد با آب می‌باشد. چسبهای تر شدنی توسط آب شامل پلی (وینیل الکل) (DVOH) که در تمبر‌های پُستی مورد استفاده قرار می‌گیرند و از لاتکس صمغهای طبیعی (مثلا صمغی و دکسترین) و پلی وینیل استات (DVN) همراه با مقدار زیادی DVOH پایدار کننده تولید می‌شوند. DVOH تنها پلیمرمعروفی است که از منومر خودش ساخته نمی‌شود.
* امولسیونهای آبی: اجزا ترکیبی برای پلیمریزه شدن امواسیونی عبارتند از: آب ، منومرها ، پایدار کننده ها و آغازگر. محصول پلیمر شدن امولسیونی ، شیرابه ای از ذرات پلیمر با پایدار کننده‌های جذب شده می‌باشد. معروف‌ترین مثال ، چسب چوب DIY است که شیرابه آن ، شامل پلیمر پلی وینیل استات (DVA) است و به میزان زیادی در کارهای کارگاهی و در چسباندن اتصالات تاق و زبانه برای درها ، پنجره ها و مبلمان در کارخانه‌ها استفاده می‌شود و مثال دیگر در رنگهای امولسیونی بر پایه DVA هستند که برای پوشش سطح یا به عنوان چسب استفاده می‌شود.
* چسب‌هایی که به وسیله سرد کردن سخت می‌شوند:
* چسبهای ذوبی: ماده اولیه چسبهای ذوبی که از ابزار تفنگ شکلی خارج می‌شود، معمولا اتیلن وینیل استات (EVA) می‌باشد. کاربرد این چسب‌ها شامل استفاده در جعبه‌های مقوایی ، صفحه کتاب ، اتصالات حرارتی و نئوپان می‌باشد. از دیگر چسبهای ذوبی می‌توان چسبهای ذوبی پلی آمیدی ، پلی اورتان ، استرهای آلیفاتیک ، پلی استر اشاره کرد.
چسبهای حساس به فشار
چسبهای حساس به فشار ، دائما چسبناک باقی می‌مانند و به خاطر استفاده در نوار چسب‌ها و برچسب‌ها معروف هستند. این چسب‌ها بطور عمده بر پایه لاستیک طبیعی ، همی پلیمر دسته‌ای و تصادفی ، استیرن - بوتادین و آکریلیک هستند. PVC نرم شده و پلی اتیلن ، مواد نوار معمولی هستند. یک طرف نوار با یک آستری یا لایه زیری پوشیده شده است. به همین دلیل ، چسب دائما چسبناک می‌ماند و طرف دیگر ، دارای پوشش آزاد کننده ای است که وقتی که نوار باز می‌شود، با چسب جدا می‌گردد. مواد آزاد کننده که اغلب استفاده می‌شود، همی پلیمری از وینیل الکل و وینیل اکتادسیل کاربامات است که در اثر واکنش با DVOH با اکتادسیل ایزوسیانات ساخته می‌شود.
معایب و مزایای چسب‌ها
معایب
1. عموما چسب‌ها بوسیله آب یا بخار آب سست می‌شوند.
2. محدوده رهایی کار آنها کمتر از چسباننده‌های فلزی (مهره ها ،پیچ ها و بست‌های آهنی و غیره) است.
3. چسب‌ها توسط دمای تبدیل شیشه ای (Tg) و تخریب شیمیایی محدود شده‌اند.
مزایا
1. اتصال مواد غیر مشابه و لایه‌های نازک از مواد
2. گسترش بار بر روی یک ناحیه وسیع
3. زیبایی و حالت آئرودینامیک آنها بر روی سطوح خارجی اتصال
4. کاربرد آنها با استفاده از ماشین روبات می‌باشد.
