چسب‌ها و انواع مختلف آن

“چسب” به عنوان یک اصطلاح عمومی شامل سیمان، موسیلاژ، چسب‌های مایع و خمیر است، اصطلاحاتی که اغلب برای هر ماده آلی که پیوند چسبی ایجاد می‌کند به جای یکدیگر استفاده می‌شوند. چسب‌های غیر آلی مانند سیمان پرتلند را نیز می‌توان یک ترکیب چسبنده در نظر گرفت، به این معنا که اشیایی مانند آجر و تیرها را از طریق اتصال سطح به یکدیگر نگه می‌دارند.

چسب‌های طبیعی از دوران باستان شناخته شده‌اند. کنده‌کاری‌های مصری با قدمت 3300 سال قبل چسباندن یک قطعه نازک از روکش روی آنچه که به نظر می‌رسد تخته چنار است را به تصویر می‌کشد.

پاپیروس، یک پارچه نبافته اولیه، حاوی الیاف گیاهان شبیه نی بود که با خمیر آرد به هم پیوند خورده بودند. از قیر، رزین درخت و موم بعنوان درزگیر (پوشش محافظ) و چسب‌ها در دوران باستان و قرون وسطی استفاده می‌شد. برگ طلای دست نوشته‌های روشن توسط سفید تخم مرغ به کاغذ پیوند خورده و اشیاء چوبی با چسب‌های مایع حاصل از ماهی، شاخ و پنیر چسبانده شده‌اند.

فناوری چسب‌های حیوانی و ماهی در قرن 18 پیشرفت کرد و در قرن نوزدهم سیمان‌های پایه لاستیک و نیترو سلولز معرفی شدند. پیشرفت قاطع در فناوری چسب‌ها، منتظر قرن بیستم بود، در این زمان چسب‌های طبیعی بهبود یافتند و بسیاری از مواد مصنوعی از آزمایشگاه بیرون آمدند تا چسب‌های طبیعی را در بازار جایگزین کنند.

رشد سریع صنایع هواپیمایی و هوافضا در نیمه دوم قرن 20 تأثیر زیادی بر فناوری چسب‌ها داشت. تقاضا برای چسب‌هایی که از مقاومت ساختاری بالایی برخوردار بوده و هم در برابر خستگی و هم در شرایط شدید محیطی مقاوم بودند، منجر به تولید مواد با کارایی بالا شد که در نهایت به بسیاری از کاربردهای صنعتی و خانگی راه یافت.

چسبندگی

در عملکرد اتصالات چسبنده، خصوصیات فیزیکی و شیمیایی چسب مهم‌ترین عوامل هستند. همچنین در تعیین اینکه اتصالات چسبی به درستی عمل می‌کنند، انواع چسبندگی (یعنی اجزای متصل شده به عنوان مثال، آلیاژ فلز، پلاستیک، مواد کامپوزیت) و ماهیت پیش تصفیه سطح یا آغازگر مهم هستند.

این سه عامل -چسب، چسبندگی و سطح- در طول عمر ساختار پیوند خورده تأثیر دارند. رفتار مکانیکی ساختار پیوندی به نوبه خود تحت تأثیر جزئیات طراحی اتصال و از طریق نحوه انتقال بارهای اعمال شده از یک چسبنده به دیگری است. مفهوم تشکیل یک پیوند چسب قابل قبول، توانایی چسب در خیس شدن و پخش شدن روی آن سطح است.

دستیابی به چنین تماس مولکولی سطحی اولین قدم ضروری در تشکیل اتصالات چسبنده قوی و پایدار است. به محض دستیابی به خیس شدن، نیروهای چسبنده ذاتی از طریق تعدادی مکانیزم در سراسر رابط تولید می‌شوند. ماهیت دقیق این مکانیسم‌ها حداقل از دهه 1960 مورد مطالعه فیزیکی و شیمیایی بوده است و نتیجه آن وجود تعدادی نظریه چسبندگی است.

مکانیسم اصلی چسبندگی توسط تئوری جذب توضیح داده شده است که می‌گوید مواد در درجه اول به دلیل تماس بین مولکولی به هم می‌چسبند. در اتصالات چسبنده این تماس توسط نیروهای بین مولکولی یا ظرفیت اعمال شده توسط مولکول‌ها در لایه‌های سطحی چسب حاصل می‌شود و می‌چسبد.

علاوه بر جذب، چهار مکانیزم چسبندگی دیگر نیز ارائه شده است. اولین انسداد مکانیکی هنگامی رخ می‌دهد که چسب در منافذ سطح چسبنده یا اطراف پیش بینی‌های سطح جریان یابد. دومی، نفوذ هنگامی حاصل می‌شود که چسب مایع حل شده و در مواد چسبنده پخش می‌شود.

در مکانیسم سوم، جذب و واکنش سطح، پیوند زمانی اتفاق می‌افتد که مولکول‌های چسبنده روی یک سطح جامد جذب شده و با آن واکنش شیمیایی نشان دهند. به دلیل واکنش شیمیایی، این فرآیند تا حدی با جذب ساده که در بالا توضیح داده شد متفاوت است، اگرچه برخی از محققان واکنش شیمیایی را بخشی از یک فرآیند جذب کل می‌دانند و نه یک مکانیسم جداگانه چسبندگی.

سرانجام، نظریه جاذبه الکترونیکی یا الکترواستاتیک نشان می‌دهد که نیروهای الکترواستاتیک در یک رابط بین مواد با ساختارهای باند الکترونیکی متفاوت توسعه می‌یابند. به طور کلی، بیش از یکی از این مکانیسم‌ها در دستیابی به سطح چسبندگی مطلوب برای انواع مختلف چسب و چسبندگی نقش دارند.

در تشکیل یک پیوند چسبنده، یک منطقه انتقالی در رابط بین چسبنده و چسب ایجاد می‌شود. در این منطقه که اینترفاز نامیده می‌شود، خصوصیات شیمیایی و فیزیکی چسب ممکن است بطور قابل ملاحظه‌ای با قسمت‌های غیر تماس متفاوت باشد. به طور کلی اعتقاد بر این است که ترکیب بین فاز دوام و مقاومت اتصال چسبی را کنترل می‌کند و عامل اصلی انتقال استرس از یک چسب به دیگری است. منطقه بین فازها اغلب محل حمله محیطی است که منجر به از بین رفتن مفصل می‌شود.

مقاومت پیوندهای چسبی معمولاً با آزمایشات تخریبی، که تنش‌های ایجاد شده در نقطه یا خط شکستگی قطعه آزمایش را اندازه گیری می‌کنند، تعیین می‌شود. روش‌های مختلف آزمایش از جمله پوست، برش کششی، بریدگی و خستگی استفاده می‌شود. این آزمایشات در طیف وسیعی از دما و تحت شرایط مختلف محیطی انجام می‌شود. یک روش جایگزین برای توصیف اتصال چسب، تعیین انرژی صرف شده در جدا کردن یک واحد از فاز است. نتیجه‌گیری حاصل از چنین محاسبات انرژی، در اصل، کاملاً معادل نتایج حاصل از تجزیه و تحلیل تنش است.

مواد چسبنده

تقریباً همه چسب‌های مصنوعی و برخی چسب‌های طبیعی از پلیمرها تشکیل شده‌اند که مولکول‌های غول پیکر یا ماکرومولکول‌هایی هستند که از اتصال هزاران مولکول ساده‌تر به نام مونومر تشکیل شده‌اند.

تشکیل پلیمر (یک واکنش شیمیایی معروف به پلیمریزاسیون) می‌تواند در طی یک مرحله “درمان” اتفاق بیفتد که در آن پلیمریزاسیون همزمان با تشکیل پیوند چسب اتفاق می‌افتد (همانطور که در مورد رزین‌های اپوکسی و سیانوآکریلات‌ها اتفاق می‌افتد)، یا ممکن است پلیمر باشد قبل از استفاده از مواد به عنوان چسب، مانند الاستومرهای ترموپلاستیک مانند کوپلیمرهای بلوک استایرن-ایزوپرن-استایرن تشکیل شده است.

پلیمرها قدرت، انعطاف‌پذیری و توانایی پخش و تعامل بر روی سطح چسبنده را می‌دهند، خصوصیاتی که برای تشکیل سطوح قابل قبول چسبندگی لازم است.

چسب‌های طبیعی

چسب‌های طبیعی در اصل منشاء حیوانی یا گیاهی دارند. اگرچه تقاضا برای محصولات طبیعی از اواسط قرن 20 کاهش یافته است، برخی از آن‌ها همچنان با محصولات چوبی و کاغذی استفاده می‌شوند، به ویژه در تخته موج دار، پاکت نامه، برچسب بطری، صحافی کتاب، کارتن، مبلمان و فیلم و ورقه‌های چند لایه.

علاوه بر این، به دلیل مقررات مختلف زیست محیطی، چسب‌های طبیعی مشتق شده از منابع تجدیدپذیر مورد توجه مجدد قرار می‌‎گیرند. مهمترین محصولات طبیعی در زیر شرح داده شده است.

چسب حیوانات

اصطلاح چسب حیوانات معمولاً به چسب‌های تهیه شده از کلاژن پستانداران، ترکیب تشکیل دهنده اصلی پروتئین پوست، استخوان و عضله محدود می‌شود. هنگامی که با اسیدها، مواد قلیایی یا آب گرم درمان می‌شود، کلاژن نامحلول در حالت نرمال به آرامی محلول می‌شود.

اگر پروتئین اصلی خالص باشد و روند تبدیل آن ملایم باشد، محصول با وزن مولکولی بالا ژلاتین نام دارد و ممکن است برای محصولات غذایی یا عکاسی استفاده شود. ماده با وزن مولکولی پایین که با پردازش شدیدتر تولید می‌شود، به طور معمول از رنگ خالص و تیره کمتری برخوردار است و به آن چسب حیوان گفته می‌شود.

از چسب حیوانات به طور سنتی در اتصال چوب، صحافی کتاب، تولید کاغذ سنباده، نوارهای سنگین چسبناک و موارد مشابه استفاده می‌شده است. علی رغم مزیت آن در چسبندگی زیاد (چسبندگی)، چسب حیوانی زیادی اصلاح شده یا کاملاً با چسب‌های مصنوعی جایگزین شده است.

چسب کازئین

این محصول با حل شدن کازئین، پروتئینی که از شیر به دست می‌آید، در یک حلال قلیایی آبی تولید می‌شود. درجه و نوع قلیایی بر رفتار محصول تأثیر می‌گذارد. در اتصال چوب، چسب‌های کازئین از نظر مقاومت در برابر رطوبت و ویژگی‌های پیری نسبت به چسب‌های واقعی حیوانات برتر هستند. از کازئین همچنین برای بهبود خصوصیات چسبندگی رنگ و پوشش استفاده می‌شود.

چسب آلبومین خون

چسب این نوع از آلبومین سرم، یک جز خونی قابل تهیه از خون تازه حیوانات یا پودر خون محلول خشک که به آن آب اضافه شده است، ساخته می‌شود. افزودن ترکیب قلیایی به مخلوط‌های آب آلبومین خاصیت چسبندگی را بهبود می‌بخشد. مقدار قابل توجهی از محصولات چسب از خون در صنعت تخته سه لا استفاده می‌شود.

نشاسته و دکسترین

نشاسته و دکسترین از ذرت، گندم، سیب زمینی یا برنج استخراج می‌شود. آن‌ها انواع اصلی چسب‌های گیاهی را تشکیل می‌دهند که محلول یا قابل پخش در آب هستند و از منابع گیاهی در سراسر جهان به دست می‌آیند. چسب نشاسته و دکسترین در بسته بندی و به عنوان چسب کاغذ دیواری استفاده می‌شود.

صمغ‌های طبیعی

موادی که به صمغ‌های طبیعی معروف هستند و از منابع طبیعی آن‌ها استخراج می‌شوند، به عنوان چسب نیز استفاده می‌شوند. آگار، کلوئیدی گیاهی دریایی (سوسپانسیون ذرات بسیار ریز)، با آب داغ استخراج شده و پس از آن برای تصفیه منجمد می‌شود.

آلژین با هضم جلبک دریایی در قلیا و رسوب نمک کلسیم یا اسید آلژنیک بدست می‌آید. صمغ عربی از درختان اقاقیا که به طور مصنوعی زخمی شده‌اند باعث ترشح صمغ می‌شود. ترشح دیگر، لاتکس لاستیکی طبیعی است که از درختان Hevea برداشت می‌شود. بیشتر صمغ‌ها عمدتا در محصولات قابل جدا شدن آب استفاده می‌شوند.

چسب‌های مصنوعی

اگرچه چسب‌های طبیعی تولید کمتری دارند، اما مهمترین چسب‌ها مصنوعی هستند. چسب‌های ساخته شده بر اساس رزین‌های مصنوعی و لاستیک‌ها از نظر قابلیت انعطاف پذیری و عملکرد بسیار عالی هستند. چسب مصنوعی را می‌توان در یک منبع ثابت با خواص مداوم یکنواخت تولید کرد. علاوه بر این، آن‌ها می‌توانند از بسیاری جهات اصلاح شوند و اغلب با هم ترکیب می‌شوند تا بهترین ویژگی‌ها را برای یک کاربرد خاص بدست آورند.

پلیمرهای مورد استفاده در چسب‌های مصنوعی به دو دسته کلی ترموپلاستیک و ترموست تقسیم می‌شوند. ترموپلاستیک‌ها در دمای طبیعی چسبندگی قوی و با دوام ایجاد می‌کنند و می‌توان آن‌ها را با استفاده از حرارت دادن و بدون تخریب نرم کرد.

رزین‌های ترموپلاستیک که در چسب‌ها به کار می‌روند شامل نیتروسلولز، پلی وینیل استات، کوپلیمر وینیل استات-اتیلن، پلی اتیلن، پلی پروپیلن، پلی آمیدها، پلی استرها، اکریلیک‌ها و سیانو اکریلیک‌ها هستند. سیستم‌های ترموست برخلاف پلاستیک‌های حرارتی، پیوندهای دائمی، مقاوم در برابر حرارت و نامحلول تشکیل می‌دهند که بدون تخریب اصلاح نمی‌شوند. چسب‌های ساخته شده از پلیمرهای گرمازا به طور گسترده‌ای در صنعت هوافضا مورد استفاده قرار می‌گیرند.

ترموست‌ها شامل فنل فرمالدئید، اوره فرمالدئید، پلی‌استرهای اشباع نشده، اپوکسی‌ها و پلی اورتان‌ها هستند. چسب‌های مبتنی بر الاستومر بسته به اینکه آیا اتصال عرضی برای انجام عملکرد چسب ضروری است، می‌توانند به عنوان ترموپلاستیک یا ترموست عمل کنند.

از ویژگی‌های چسب‌های الاستومری می‌توان به مونتاژ سریع، انعطاف پذیری، انواع متنوع، اقتصادی بودن، استحکام لایه برداری، سهولت اصلاح و قابلیت انعطاف پذیری اشاره کرد. الاستومرهای اصلی که به عنوان چسب استفاده می‌شوند لاستیک طبیعی، لاستیک بوتیل، لاستیک بوتادین، ​​لاستیک استایرن-بوتادین، ​​لاستیک نیتریل، سیلیکون و نئوپرن هستند.

چالش مهمی که سازندگان و کاربران چسب با آن روبرو هستند، جایگزینی سیستم‌های چسبی مبتنی بر حلال‌های آلی با سیستم‌های مبتنی بر آب است. این روند با محدودیت در استفاده از ترکیبات آلی فرار (VOC)، که شامل حلال‌هایی است که در جو آزاد می‌شوند و به تخریب ازن کمک می‌کنند، انجام شده است.

در پاسخ به مقررات زیست محیطی، چسب‌های ساخته شده بر اساس امولسیون‌های آب و پراکندگی در حال تولید هستند و چسب‌های حلال نیز به تدریج از بین می‌روند.انواع پلیمری که در بالا ذکر شد در تعدادی از انواع عملکردی چسب استفاده می‌شود. در زیر این انواع عملکردی شرح داده شده است.

انواع عملکردهای مورد استفاده از چسب

• تماس با سیمان

چسب‌های تماس یا سیمان‌ها معمولاً بر پایه محلول‌های حلال نئوپرن ساخته می‌شوند. نام آن‌ها به این دلیل است که معمولاً روی هر دو سطح قرار می‌گیرند تا باند شوند. به دنبال تبخیر حلال، ممکن است دو سطح به هم متصل شوند و پیوند محکم با مقاومت بالا در برابر نیروهای برشی ایجاد کنند. از سیمان‌های تماسی به طور گسترده‌ای در مونتاژ قطعات خودرو، مبلمان، کالاهای چرمی و ورقه‌های تزئینی استفاده می‌شود. آن‌ها در اتصال پلاستیک‌ها موثر هستند.

• چسب‌های سازه‌ای

چسب‌های سازه‌ای، چسب‌هایی هستند که به طور کلی قابلیت حمل بار خوب، دوام طولانی مدت و مقاومت در برابر گرما، حلال‌ها و خستگی را از خود نشان می‌دهند. نود و پنج درصد از کل چسب‌های ساختاری که در ساخت تجهیزات اصلی به کار می‌روند در شش خانواده چسب سازه‌ای قرار می‌گیرند:

1. اپوکسی‌ها، که دارای مقاومت بالا و مقاومت در برابر درجه حرارت و حلال خوب هستند.
2. پلی‌اورتان‌ها، که انعطاف پذیر هستند، دارای ویژگی‌های لایه برداری خوب هستند و در برابر ضربه و خستگی مقاوم هستند.
3. اکریلیک‌ها، یک خانواده چسب همه کاره که به قسمت‌های روغنی متصل می‌شود، به سرعت بهبود می‌یابد و دارای خواص کلی خوبی است.
4. بی‌هوازی یا اکریلیک‌های فعال شده روی سطح، که برای اتصال رشته‌ای قطعات فلزی و اشکال استوانه‌ای خوب است.
5. سیانوآکریلات که به سرعت به پلاستیک و لاستیک می‌چسبند اما مقاومت در برابر دما و رطوبت محدود دارند.
6. سیلیکون که انعطاف پذیر هستند و خواص آب بندی خوبی را ایجاد می‌کنند.

می‌توان هر یک از این خانواده‌ها را اصلاح کرد و چسب‌هایی تهیه کرد که دارای طیف وسیعی از خصوصیات فیزیکی و مکانیکی، سیستم‌های پخت و تکنیک‌های کاربردی هستند. از پلی‌استرها، پلی وینیل‌ها و رزین‌های فنلی نیز در مصارف صنعتی استفاده می‌شود اما دارای محدودیت‌های پردازشی یا عملکردی است. چسب‌های با درجه حرارت بالا، مانند پلی آمیدها، بازار محدودی دارند.

• چسب‌های داغ مذاب

چسب‌های مذاب داغ در بسیاری از کاربردهای غیر ساختاری استفاده می‌شوند. بر اساس رزین‌های ترموپلاستیک، که در دمای بالا بدون تخریب ذوب می‌شوند، این چسب‌ها به عنوان مایعات داغ به چسب اضافه می‌شوند. پلیمرهای متداول شامل پلی آمیدها، پلی استرها، اتیلن-وینیل استات، پلی اورتان‌ها و انواع کوپلیمرهای بلوک و الاستومرها مانند لاستیک بوتیل، کوپلیمر اتیلن-پروپیلن و لاستیک استایرن-بوتادین است.

مذاب داغ در زمینه‌های خودرو و لوازم خانگی کاربرد گسترده‌ای پیدا می‌کند. با این وجود، کمبود مقاومت آن‌ها در دمای بالا محدود است، دمای بالای استفاده برای بیشتر ذوب‌های گرم در محدوده 40-65 درجه سانتیگراد (تقریباً 100-150 درجه فارنهایت) است. به منظور بهبود عملکرد در دماهای بالاتر، اصطلاحاً ذوب گرم ساختاری – ترموپلاستیک اصلاح شده با اورتان‌های واکنشی، اورتان‌های قابل درمان با رطوبت یا پلی اتیلن اصلاح شده توسط سیلان – ساخته شده‌اند.

چنین تغییراتی می‌تواند منجر به افزایش چسبندگی پوست، قابلیت حرارت بالاتر (در محدوده 70-95 درجه سانتیگراد، [160–200 درجه فارنهایت) و بهبود مقاومت در برابر اشعه ماورا بنفش شود.

• چسب‌های حساس به فشار

چسب‌های حساس به فشار یا PSA، یک بازار بزرگ صنعتی و تجاری را به صورت نوارهای چسب و فیلم‌هایی نشان می‌دهد که به سمت بسته‌بندی، نصب و بستن، ماسک‌گذاری و کاربردهای الکتریکی و جراحی هدایت می‌شوند. PSA‌ها می‌توانند چسبنده‌ها را با هم نگه دارند وقتی که سطوح تحت فشار مختصر وارد شده در دمای اتاق جفت شوند. تفاوت این چسب‌ها با سیمان‌های تماسی این است که دومی به هیچ فشاری برای اتصال نیاز ندارد.

موادی که برای فرمولاسیون سیستم های PSA استفاده می‌شود شامل لاستیک‌های طبیعی و مصنوعی، الاستومرهای ترموپلاستیک، پلی اکریلات‌ها، پلی اتیلن اترها و سیلیکون‌ها است. این پلیمرها، در هر دو فرمولاسیون مبتنی بر حلال و ذوب داغ، به عنوان روکش روی بستر کاغذ، سلفون، فیلم پلاستیکی، پارچه یا فویل فلزی اعمال می‌شوند.

همانطور که فرمول‌های چسبی مبتنی بر حلال در پاسخ به مقررات زیست محیطی از بین می‌روند، PSA های پایه آب بیشتر استفاده خواهند کرد.

• چسب‌های اشعه ماوراء بنفش

چسب‌های اشعه ماوراء بنفش در اوایل دهه 1960 در دسترس قرار گرفتند اما با پیشرفت تکنولوژی شیمیایی و تجهیزات در دهه 1980 به سرعت توسعه یافتند. این نوع چسب‌ها به طور معمول از یک مونومر (که می‌تواند به عنوان حلال عمل کند) و یک پیش پلیمر با وزن مولکولی کم همراه با یک آغازگر نور تشکیل شده است.

نورگیرها ترکیباتی هستند که با قرار گرفتن در معرض اشعه ماورا بنفش به رادیکال‌های آزاد تجزیه می‌شوند. رادیکال‌ها باعث پلیمریزاسیون مونومر و پیش پلیمر می‌شوند. بنابراین پسوند زنجیره‌ای و اتصال متقابل مورد نیاز برای تشکیل چسب را تکمیل می‌کنند. به دلیل دمای پایین فرآیند و پلیمریزاسیون بسیار سریع (از 2 تا 60 ثانیه)، چسب‌های اشعه ماوراء بنفش در زمینه‌های الکترونیکی، خودرویی و پزشکی به سرعت پیشرفت می‌کنند. آن‌ها عمدتاً از فرمولاسیون‌های اکریلاته سیلیکون، اورتان و متاکریلات تشکیل شده‌اند.