آشنایی کامل با مفاهیم چسبندگی

پوشش‌های پلیمری در کاربردهای تزئینی، حفاظتی و ویژه روی سطوح مختلف از قبیل فلزات، پلاستیک‌ها، سرامیک‌ها و سایر مواد اعمال می‌شوند. در تمام کاربردها، چسبندگی مناسب به زیرآیند، شرط اصلی و ویژگی مهم در سرویس‌دهی این پوشش‌هاست. یک پوشش پلیمری، بدون استحکام چسبندگی کافی، با وجود دارا بودن خواص بسیار خوب از قبیل ظاهر و خواص تزئینی مناسب، مقاومت در برابر شرایط جوی، مواد شیمیایی، تنش‌های مکانیکی، خوردگی یا سایر عوامل مخرب، عملاً بی‌فایده است. بنابراین، یک پوشش پلیمری زمانی از کارایی مطلوب برخوردار است که به سطح زیرآیند بچسبد. افزون بر خواص و ویژگی‌های موردنظر یک پوشش پلیمری در زمان فرمول‌بندی، استحکام چسبندگی لازم به سطح زیرآیند و همچنین مولفه‌های موثر بر ایجاد چسبندگی مناسب در زمان اجرا و تشکیل فیلم و پایداری استحکام چسبندگی، پس از تشکیل فیلم و در زمان سرویس‌دهی نیز باید در نظر گرفته شود. از لحاظ شیمیایی، تشابه بین پوشش‌ها و چسب‌های پلیمری وجود دارد و هر دوی آن‌ها را می‌توان در قالب پوشش‌های آلی در نظر گرفت. یک پوشش پلیمری در اصل، حاوی پلیمری با درجه‌های کم و زیاد پیوند عرضی و مقدار مشخصی رنگ‌دانه و پرکننده است. فلزات، چوب، کاغذ، چرم، پوشاک، بتن یا مصالح ساختمانی، نیز می‌توانند زیرآیند مناسبی برای پوشش‌ها باشند. با این‌حال، در بسیاری از موارد، مواد تشکیل‌دهنده زیرآیند، سفتی و استحکام بیشتری نسبت به پوشش دارند. در چنین شرایطی، در حالتی که سامانه (متشکل از پوشش و زیرآیند) در معرض نیروی خارجی با شدت کافی قرار گیرد، شکست و جدایش در درون لایه پوشش یا در فصل مشترک آن‌ها رخ می‌دهد.

مطابق با استاندارد ASTM D907 با عنوان استاندارد اصطلاحات چسب، چسبندگی این‌گونه تعریف شده است: حالتی که طی آن دو سطح با نیروهای بین سطحی مختلف در کنار هم نگه‌داشته می‌شوند. این نیروها ممکن است مکانیکی، شیمیایی یا فیزیکی باشند. به‌طور کلی، مقاومت پوشش در برابر برداشته‌ شدن و جدا شدن از روی سطحی که بر آن اعمال شده، استحکام چسبندگی نامیده می‌شود.

چسبندگی از دو جنبه پایه و عملی مورد توجه است که در هنگام ارزیابی چسبندگی باید آن‌ها را در نظر گرفت. منظور از چسبندگی پایه تمام نیروهای بین سطحی و بین مولکولی در فصل مشترک یا کار چسبندگی است.  چسبندگی عملی به نیروهایی اطلاق می‌شود که برای جدا کردن دو سطح از یکدیگر به کار می‌رود. به تعبیر دیگر، ترکیبی از تمام نیروهای بین‌مولکولی و بین‌سطحی که باعث ایجاد پدیده چسبندگی در فصل مشترک دو جسم می‌شود، به عنوان کار چسبندگی یا چسبندگی پایه شناخته می‌شوند. در حالی‌که چسبندگی عملی یا اتصال، بیانگر نیروهای لازم برای تخریب یا جدا کردن مواد چسبیده به یکدیگر است.

معمولاً برای ارزیابی چسبندگی پایه از روش‌ها و محاسبات نظری و برای اندازه‌گیری استحکام چسبندگی عملی از روش‌هایی مانند برش متقاطع، جدایش کششی، آزمون پوست‌کندن یا سایر روش‌ها استفاده می‌شود. در حقیقت، چسبندگی عملی شامل چسبندگی پایه است، ولی محدود به آن نیست. حداقل دو نیروی دیگر، کار تغییر شکل پلاستیک و نیروی ذخیره شده کرنش کشسان را نیز شامل می‌شود.

نظریه‌های موجود در توصیف پدیده چسبندگی

نظریه لایه مرزی ضعیف (WBL) : بر اساس نظریه لایه مرزی ضعیف، شکست واقعی در فصل مشترک بین پوشش و زیرآیند اتفاق نمی افتد، بلکه معمولاً شکست در لایه های مرزی ضعیف در درون پوشش یا زیرآیند در نزدیکی فصل مشترک آن‌ها انجام می‌‌گیرد.

نظریه تماس- ترشدن: بر اساس این نظریه، برای ایجاد پیوند بین پوشش و زیرآیند، نیروهای جاذبه وان‌دروالس به تنهایی کافی بوده و استحکام پیوند نیز وابسته به انرژی‌های سطحی و مقدار تماس بین دو سطح است. اگرچه از لحاظ ترمودینامیکی، تر‌شدن مناسب برای ایجاد چسبندگی کافی یک ضرورت است، اما برای ایجاد استحکام لازم چسبندگی پوشش به زیرآیند کافی نیست. در این نظریه، اثر لایه‌های ضعیف مرزی، امکان وجود نقص‌ها یا شکست‌های مکانیکی و اثر وجود آلودگی‌های سطحی در نظر گرفته نمی‌شود.

نظریه جذب: بر اساس نظریه جذب، ایجاد استحکام چسبندگی بین دو جسم، ناشی از تماس نزدیک بین‌مولکولی دو ماده با یکدیگر است. چسبندگی شامل نیروهای بین سطحی به وجود آمده بین اتم‌ها در فصل مشترک است. این نظریه مهم‌ترین سازوکار در دستیابی به چسبندگی است. متداول‌ترین و مهم‌ترین نیروهای تشکیل شده در فصل مشترک پوشش-زیرآیند، نیروهای واندروالس است. افزون بر نیروهای واندروالس، برهم‌کنش‌های اسید-باز و پیوندهای هیدروژنی، که به طور کلی برهم‌کنش‌های اسید-باز در نظر گرفته می‌شوند، نیز ممکن است در ایجاد نیروهای چسبندگی نقش داشته باشند. استحکام چسبندگی به‌طور شایان توجهی با برهم‌کنش‌های اسید-باز بین پوشش و زیرآیند افزایش می یابد. با افزایش خاصیت اسیدی یا قلیایی پوشش و زیرآیند می توان به مقدار زیادی استحکام چسبندگی را افزایش داد. با اصلاح اسیدی سطح یا قلیاییت مواد جامد غیر آلی، می‌توان خواص مکانیکی پوشش را روی زیرآیند از قبیل مدول، ازدیاد طول تا پارگی و چقرمگی را افزایش داد.

نظریه نفوذ: VOYUTSKII و سایرین چسبندگی بین دو سطح پلیمری را نتیجه وجود پدیده نفوذ درونی بیان کردند. این نظریه با مشاهده این نکته تایید می‌شود که استحکام چسبندگی تابعی از افزایش وزن مولکول، ساختار پلیمر و مدت زمان تماس است. بر اساس این مدل، فصل مشترک بین دو ماده دارای حد و مرز مشخصی نیست. فصل مشترک دو ماده پلیمری از قطعه و زنجیرهای پلیمری دو ماده تشکیل شده است. این نظریه زمانی کارآیی دارد که زنجیرها یا قطعه‌های پلیمر تحرک کافی داشته باشند. این پدیده برای اعمال پوشش‌های پایه حلالی، روی سطوح پلیمری(پلاستیکی) صادق است. این نظریه برای سامانه‌هایی که یک جزء یا بیشتر آن‌ها جامدات سخت باشد ( مانند فلزات، شیشه و اکسیدهای فلزی) کاربرد ندارد.

چسبندگی شیمیایی: نظریه ایجاد چسبندگی در اثر پیوند شیمیایی، با فرض تشکیل پیوندهای کووالانسی یا یونی در فصل مشترک پوشش و زیرآیند ارائه شده است. استحکام پیوندهای کووالانسی در حدود 10 تا 100 برابر استحکام نیروهای جاذبه‌ای واندروالس است. با استفاده از ترکیباتی مانند جفت‌کننده کمپلکس‌های کروم، سیلآن‌ها و تیتانات‌ها و همچنین با گروه‌های عاملی آلی شامل ایزوسیانات‌ها، کربوکسیل‌ها، آمین‌ها، هیدروکسیل‌ها و اپوکسی‌ها می‌توان به پیوندهای کووالانسی دست یافت. ثابت شده است، استحکام چسبندگی با افزایش غلظت گروه‌های عاملی در ترکیب افزایش می یابد.

چسبندگی مکانیکی: اتصال مکانیکی پوشش‌ به زبری‌های سطح زیرآیند دلیل اصلی توصیف چسبندگی بر اساس این نظریه است. در چسبندگی مکانیکی، ناهمواری‌های سطح، زمینه مناسبی را برای گیرکردن مکانیکی پوشش به زیرآیند فراهم می‌سازد. اما، اگر تماس مناسبی بین پوشش و زیرآیند وجود نداشته باشد، افزایش ناهمواری‌های سطحی، ایجاد فضاهای خالی  بین پوشش و زیرآیند، موجب کاهش استحکام چسبندگی مکانیکی می‌شود.

در کاربردهای عملی آبکاری فلزات روی زیرآیندهای پلیمری، از حک کننده‌ها برای ایجاد زبری و افزایش چسبندگی استفاده می شود. موارد کاربرد متعدد دیگری از قبیل ایجاد لایه اکسید آندی روی آلومینیم، پوشش‌های مذاب پلی‌اتیلنی روی فلزات و سایر موارد وجود دارند. کاربرد نظریه چسبندگی مکانیکی روی سطوح متخلخل از قبیل چوب، پارچه و کاغذ از اهمیت زیادی برخوردار است. در مقابل، از آنجا که معمولاً چسبندگی بهتر روی سطوح صاف مانند شیشه حاصل می‌شود، اعتبار این نظریه مورد سوال قرار می‌گیرد. بررسی ‌ها نشان داده است، در بسیاری از موارد، با سایش مکانیکی سطح، مقدار استحکام چسبندگی افزایش می‌یابد.

چسبندگی الکتروستاتیکی: در نظریه چسبندگی الکتروستاتیکی، وقتی دو سطح مختلف به یکدیگر نزدیک و متصل می شوند، به علت ایجاد یک لایه دوگانه الکتریکی در فصل مشترک دو سطح، مانند یک خازن، یک انتقال بار انجام می‌شود. نظریه الکتروستاتیک از این ایده الگو گرفته است که وقتی دو سطح در تماس با یکدیگر قرار می‌گیرند، الکترون‌های یکی به دیگری منتقل می‌شود. در نتیجه یک لایه مضاعف الکتریکی تشکیل می‌شود که منجر به ایجاد نیروی جذب بین دو جسم می‌شود.

پس به طور کلی از تلفیق نظریه‌های گفته شده می توان نتیجه گرفت، چسبندگی یک پدیده بین سطحی متشکل از نیروهای فیزیکی و شیمیایی، به هنگام شکل گرفتن فصل مشترک بین دو سطح است. استحکام چسبندگی معیاری از درجه اتصال دو سطح به یکدیگر است و این اتصال تابعی از تر شدن، انرژی‌های سطحی نسبی هر دو فاز و سینتیک تر شدن است.

اثر زیرآیند بر استحکام چسبندگی

پدیده چسبندگی پوشش‌های آلی به زیرآیندهای فلزی در سطح بالایی از توسعه و کاربردهای عملی قرار دارد. نقش انرژی سطح، عاملیت شیمیایی، بی‌نظمی‌های سطح و آلاینده‌ها ( اکسیدها، آب جذب شده و غیره) در استحکام چسبندگی در آن‌ها، به خوبی شناخته شده است. از سوی دیگر، چسبندگی پوشش‌های پلیمری به زیرآیندهای پلیمری(پلاستیکی) قدری پیچیده‌تر است. اغلب سطوح پلیمری به‌دلیل انرژی سطحی کم، به‌سختی تر می‌شوند. خنثی بودن سطح و عدم وجود گروه‌های عاملی روی سطح آن‌ها، وجود آلودگی‌ها (روغن‌ها، روان‌کننده‌ها و نرم‌کننده‌ها) در سطح آن‌ها و همچنین لایه‌های ضعیف مرزی، موجب کاهش شانس تشکیل پیوندهایی با استحکام مناسب در فصل مشترک سطح پلیمری با پوشش‌های آلی می‌شود. به همین دلیل، برای ایجاد چسبندگی مناسب روی سطوح پلیمری نیز، از روش‌های اصلاح سطح استفاده می‌شود. در نبود آماده‌سازی سطح، چسبندگی پوشش به سطح زیرآیند، اغلب از راه نیروهای جاذب واندروالس یا قطبی-دوقطبی، درگیری‌های مکانیکی (زبری و بی‌نظمی‌های سطح) و نفوذ درونی تامین می‌شود.

پوشش‌های آلی دارای فرمول‌بندی پیچیده‌ای هستند. در نتیجه، شیمی پلیمر در حال تشکیل در فصل مشترک با زیرآیند، به وضوح تحت تاثیر سطح جامد قرار می‌گیرد. در فصل مشترک، پوشش‌های پلیمری در لایه مرزی، صرف‌نظر از این که زیرآیند فلز، پلاستیک یا ترکیب غیرآلی باشد، ممکن است تا حدی متفاوت از توده پوشش باشد. پس از تشکیل فیلم نیز ممکن است که پوشش متخلخل و نفوذپذیر باشد. بنابراین، پیرشدگی فیزیکی و هوازدگی، با نفوذ آب اکسیژن و سایر عوامل به فصل مشترک پوشش و زیرآیند، ممکن است موجب کاهش استحکام یا از بین رفتن چسبندگی شوند. در واقع، برخی از پوشش‌ها که دارای استحکام چسبندگی قابل قبول در حالت خشک هستند، ممکن است زمانی که در معرض رطوبت زیاد یا غوطه‌وری در آب به مدت چند ساعت قرار گیرند، استحکام چسبندگی خود را از دست دهند.

بروز تغییر در زیرآیند ممکن است، استحکام چسبندگی را تحت تاثیر قرار دهد. تاول‌زدگی و تشکیل محصولات خوردگی، اغلب به عنوان نقص در چسبندگی در نظر گرفته می‌شود. البته این نکته باید یادآوری شود، نقص در چسبندگی به تنهایی، عامل بروز خوردگی در فلز نیست، بلکه موجب تسریع رشد محصولات خوردگی در زیر لایه پوشش و تشدید خوردگی می‌شود. اگرچه در اثر پدیده هوازدگی و عدم وجود خوردگی، ممکن است جدایش لایه‌های پوشش انجام گیرد.

گچی شدن بین سطحی آستر اپوکسی و لایه رویه، در اثر عبور پرتوهای UV از لایه رویه، نیز از مشکلات شایع است. جدا شدن لایه‌ای پوشش شفاف یا نیمه شفاف پوشش خارج از ساختار زیرآیند چوبی، زیر پرتوهای UV، رطوبت و اکسیژن، نیز ممکن است، رخ دهد و بدون آسیب دیدن پوشش، زیرآیند چوبی تخریب می‌شود. راه حل مشکل این است که با افزودن ترکیبات آلی یا معدنی جاذب UV به پوشش، زیرآیند چوبی از تخریب محافظت می‌شود.

اندازه‌گیری استحکام چسبندگی

به طور کلی، مقاومت پوشش در برابر برداشته شدن و جدا شدن از سطحی که بر آن اعمال شده، استحکام چسبندگی نامیده می‌شود. چسبندگی می‌تواند بین پوشش و زیرآیند، بین لایه‌های آستر و رویه، بین پوشش‌های تازه و موجود روی سطح و غیره وجود داشته باشد. افزون بر این، چسبندگی پوشش به لایه زیرین باید در شرایط مختلف آب و هوایی، شست‌وشو و محیط‌های مرطوب، به قدر کافی مقاوم باشد.

برای اندازه‌گیری استحکام چسبندگی کاربردی از روش‌هایی مانند برش متقاطع، جدایش کششی، آزمون پوست‌کندن می توان استفاده کرد.

تعیین استحکام چسبندگی به روش برش متقاطع: متداول‌ترین روش آزمون برای ارزیابی چسبندگی پوشش‌ها روی زیرآیند در موارد کارگاهی، تعیین استحکام چسبندگی به روش برش متقاطع است. مطابق استاندارد ASTM D3359 با عنوان روش استاندارد برای اندازه‌گیری استحکام چسبندگی به روش چسب نواری آزمون به دو روش انجام می‌شود.

تعیین استحکام چسبندگی به روش جدایش کششی: مطابق استاندارد ASTM D4541 با عنوان روش آزمون استاندارد برای تعیین استحکام جدایش کششی پوشش‌ها با استفاده از دستگاه قابل حمل چسبندگی، اندازه‌گیری استحکام چسبندگی به روش جدایش کششی انجام می‌شود. نتایج حاصل این روش آزمون، نسبت به روش برش متقاطع، قابل اعتمادتر است و به طور مستقیم به خواص چسبندگی فیلم مربوط می‌شود.

تعیین استحکام چسبندگی روی زیرآیند پلاستیکی به روش پوست کندن: هنگامی که یک نوار چسب انعطاف پذیر روی یک زیرآیند با پوشش سخت، چسبانده و سپس جدا شود، فرایند جدا کردن چسب با واژه پوست کندن شناخته می‌شود. مقدار نیروی کششی مورد نیاز برای این آزمون، تابعی از خواص رئولوژیکی لایه پشت چسب و استحکام پیوند بین لایه چسب و سطح پوشش است.

آزمون کشش مستقیم: روشی است که از مدت‌های مدید به عنوان آزمون تعیین استحکام چسبندگی پوشش به کار می‌رفته است. استاندارد ASTM D5179 با عنوان روش آزمون استاندارد برای اندازه گیری چسبندگی پوشش‌های آلی به زیرآیندهای پلاستیکی به وسیله آزمون کشش مستقیم، برای این منظور استفاده می‌‌شود.

آزمون خراش، آزمون Chisel، آزمون خمش و آزمون صیقل‌کاری از دیگر روش‌هایی هستند که برای تعیین استحکام چسبندگی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

واحد تحقیق و توسعه شرکت فناوران رنگدانه سپاهان