ساخت پوشش نوين ضخيم پايه پليمري با استفاده از چسب سيانواكريلات و تعيين خواص مكانيكي و حرارتي آن

نسرين صمدزاده1 و مهرداد كاشفي2
كارشناس ارشد مهندسي مواد، دانشگاه فردوسي مشهد
استاديار، گروه مواد و متالورژي دانشكده مهندسي، دانشگاه فردوسي مشهد
m-kashefi@um.ac.ir

چكيده
اگر چه استفاده از پوششها در صنعت سابقهاي طولاني دارد ولي با توجه بهپيشرفت علم و تكنولوژي و نياز بهتوليد پوششها با خواص و كاربرد جديد همواره نياز بهاستفاده از پوششهاي جديد احساس ميشود. يكي از انواع اين پوششها كه بهتازگي كاربرد زيادي يافتهاند، پوششهاي پايه پليمري ميباشند. در تحقيق حاضر، پودر سراميكي آلومينا با چسب پليمري سيانواكريلات مخلوط شده و سپس با ايجاد شرايط مناسب، مخلوط خميري حاصل روي زير لايه پوشش داده ميشود. بهمنظور كنترل فرآيند مخلوطسازي و توليد يك مخلوط مناسب براي پوششدهي، از پاراتولوئن سولفونيك اسيد بهعنوان پايدار كننده و از كافئين به عنوان آغازگر پليمرشدن چسب سيانواكرليت استفاده شدهاست. در اين پژوهش از دو نوع چسب اتيل سيانواكريلات و آلكوكس ي اتيل سيانواكريلات بههمراه پودر سراميكي آلومينا و زير لايه آلوميني وم استفاده و خواص مكانيكي، ساختاري و رفتار حرارتي پوشش مورد بررسي قرار گرفتهاست. مشخص شد با افزايش ميزان آغازگر پليمراسيون در مخلوط، تخلخلها در پوشش حاصله افزايش و سختي و استحكام چسبندگي فصل مشترك كاهش پيدا ميكنند. بهعلاوه افزايش درصد حجمي پودر در مخلوط موجب افزايش سختي و كاهش استحكام چسبندگي فصل مشترك ميشود. همچنين دما ي كاري پوشش زير 140 درجه سانتيگراد پيشنهاد ميشود.

واژههاي كليدي:
پوشش، چسب سيانواكريلات، استحكام چسبندگي، سختي، رفتار حرارتي.

1- مقدمه
سيانواكريلاتها بهلحاظ نوع پليمر شدن، جزء پليمرهايي هستند كه توسط واكنش شيميايي سخت شده و همچنين يك پليمر ترموپلاستيك محسوب ميشوند. چسبهاي سيانواكريلات مولكولهاي خطي و قطبي هستند كه بر پايه مونومرهاي اكريليك1 ميباشند. از خصوصيات بارز آنها خودگيري سريع و استحكام بالا است. مونومرهاي سيانواكريلات بهدو صورت راديكالي و آنيوني پليمر ميشوند كه صورت آنيوني بيشتر مورد

شكل (1): مراحل پليمر شدن سيانواكريلات [3].

توجه بوده زيرا در اثر اين نحوه پليمر شدن مونومرهاي سيانواكريلات توانايي واكنشپذيري بالايي از خود نشان ميدهند. شكل (1) واكنش خودگيري آنيوني چسب سيانواكرليت را نشان ميدهد. واكنش پليمر شدن در 5/5 pH < متوقف ميشود لذا سيانواكرليتها قادرند در حضور بازهاي ضعيف پليمر شدن خود را آغاز كنند [3-1]. بنابراين معمولاً با اضافه كردن مقادير كمي اسيد ضعيف بهچسب از پليمر شدن چسب هنگام نگهداري و قبل از استفاده جلوگيري ميشود [4]. براي اينكه بازدارندگي بهطور مؤثر انجام شود بازدارنده بايد در مونومر قابل حل باشد. بهصورت كلي اسيدهاي لوويس بازدارندههاي مناسبي هستند [3]. اين بازدارندهها شامل اسيدهاي گازي مانند سولفور دياكسيد و اسيدهاي كربوكسيليك [5 و 6]، اسيد تريكلرواستيك، اسيد پيكري ك و اسيد پاراتولوئن سولفونيك [7 و 8] هستند. از طرف ديگر هر نوع دهنده الكترون ميتواند محرك پليمر شدن باشد [9]. آقاي بيركنشو2 و همكارانش از كافئين3، پرادين4 و بوتيل امين5، بهعنوان شروعكننده پليمر شدن استفاده كردند [6].
علمي پژوهشي مهندسي مواد مجلسي / سال سوم / شماره سوم / پاييز 1388
علاوه بر كاربردهاي متعارف اين چسب در اتصال قطعات در صنايع بستهبندي، بهداشتي و الكترونيك، با توجه بهزيست سازگاري مناسب اين چسب با بافت بدن انسان تحقيقات زيادي بر روي كاربرد سيانواكريلات در علوم پزشكي انجام شدهاست [4 و 15-10]. از جمله كاربردها ي پزشك ي اين چسبها، توليد انواع نانو داروها، ترميم مواد استخواني در ارتوپدي، پروتزها و پركنندههاي دندان ي است. براي توليد اين پركنندهها ميتوان از آلومينا يا هيدروكسي آپاتيت بههمراه اتيل يا بوتيل سيانواكريلات استفاده كرد [16 و 17]. سيانواكريلاتها تنها چسبهايي هستند كه زير آب قابليت پليمره شدن دارند لذا پس از افزود ن پودرها ي فلزي و سراميكي بهچسب از مخلوط بهدست آمده ميتوان برا ي تعمير بدنه كشتي و نقاطي كه زير آب نياز بهآببندي دارند، استفاده كرد [6]. از طرف ي بهدليل ويسكوزيته پايين، كانديد مناسبي براي فرآيندهاي تزريق پودر بهقالب 6(PIM) محسوب ميشود. يكي از ويژگيهاي مثبت اين پليمر در اين نوع فرآيندها، قابليت تجزيه شدن آن طي چند دقيقه است. اين عمل با استفاده از شكسته شدن زنجيره پليمري اتفاق ميافتد. با استفاده از اين پليمر و فرآيند PIM قطعات سراميكي مانند دريچه قلب سراميك ي توليد شدهاست [7، 8 و 18].
در اين كاربرد جديد از چسب سيانواكرليت، پودر فلز و يا سراميك طي يك فرآيند با چسب سيانواكريلات مخلوط شده و سپس در شرايط مناسب مخلوط خميري حاصل بر روي زير لايه مورد نظر پوشش داده ميشود. اختلاط پودرها با چسب سيانواكريلات موجب آغاز شدن سريع فرآيند پليمر شدن در حين اختلاط گرديده و مانع از توليد مخلوط با خواص مناسب جهت توليد پوشش ميشود. بدين منظور براي پايدار كردن مخلوط پوشش از ممانعتكننده پليمر شدن استفاده ميگردد.
مخلوط پايدار شده را ميتوان برا ي مدتها ي طولاني، بدون از دست رفتن خواص آن، نگهداري كرد. براي اين كه بعد از پوششدهي مخلوط، فرآيند پليمر شدن آغاز شده و پوشش استحكام لازم را بهدست آورد، از آغازگر پليمر شدن استفاده شدهاست. در تحقيق حاضر، خواص مكانيكي و حرارتي پوشش نوين حاصله بررسي شده و همچنين اثر متغيرهاي اصلي مورد توجه قرار گرفتهاست.

شكل (2): تصوير SEM پودر آلومينا.

مواد و روش تحقيق
مواد
در اين پژوهش از دو نوع چسب آلكوكسي اتيل سيانواكريلات
با شماره 460 از شركت T Loctite با ويسكوزيته MPa.S 45 و دانسيته 3g/cm 1/1 و همچنين چسب اتيل سيانواكريلات
محصول شركت Weicon با ويسكوزيته MPa.S 40 و دانسيته 3g/cm 05/1 استفاده شد. پودر آلوميناي انتخاب شده از شركت Baikalox با خلوص بيش از 99/99% و اندازه دانه متوسط µm 3 ميباشد. تصوير SEM اين پودر در شكل (2) نمايش داده شدهاست.
اسيد پاراتولو ئن سولفونيك، محصول شركت Merck، با خلوص بالاتر از 98% و دانسيته 3g/cm 24/1 بهعنوان پايداركننده سيانواكريلات استفاده ش ده و كافئين به عنوان شروعكننده پليمر شدن انتخاب شدهاست. كافئين مورد استفاده از شركت Merck و با دانسيته 3g/cm 23/1 تهيه گرديد.
روش تحقيق
در اين تحقيق، اثر متغيرهاي فرآيند توليد پوشش روي استحكام چسبندگي فصل مشترك، سختي و تخلخلهاي پوشش مورد بررسي قرار گرفت. اين متغيرها شامل مقدار پودر در مخلوط، ميزان كافئين و نوع استر چسب ميباشد. مقادير پودر شامل 45%، 40% و 35% درصد حجمي، مقادير كافئين شامل 3/4%، 9/11% و
2/8% درصد حجمي و دو نوع استر چسب شامل آلكوكسي اتيل سيانواكريلات و اتيل سيانواكريلات ميباشند.
خـواص مكـانيكي و حرارتـي آن
پوششچسب 2 mm
391714-716166

25.4
mm
2
5.
4
mm
12.7
+ 0.2

25.4

mm

2

5.

4

mm

12.7

+ 0.2

177.8 mm
شكل (3): نمونه استاندارد تست چسبندگي .ASTM D1002

در تمام آزمايشات مخلوط پوشش شامل 3/4% حجمي اسيد پاراتولوئن سولفونيك بهعنوان پايداركننده بوده و همه در دماي محيط انجام گرفتهاند. نمونه استاندارد شامل دو تسمه آلومينيومي بهابعاد 2 × 4/25 × 6/101 ميليمتر ميباشد (شكل 3). آزمون كشش توسط دستگاه ZWICK انجام گرديد. ابتدا زير لايه با استفاده از مواد شوينده، استن و آب مقطر شسته شد. سپس تسمهها با استفاده از كاغذ سنباده با مش 80 بهمقدار μm 63/4 زبر گرديد. بعد از آن مخلوط پوشش شامل چسب سيانواكلريت، اسيد و كافئين روي قسمتي از زير لايه آلومينيوم (تسمه اول) با ضخامت 6/0- 9/0 ميليمتر پوشش داده شد. بعد از خودگيري پوشش، با استفاده از چسب دوقلو قسمت دوم
(تسمه دوم) بر روي پوشش چسبانده شد.
براي انجام سختيسنجي از ميكروسختي استفاده شد.
سختيسنجي توسط ميكروسختي BUHLER و با نيروي 50 گرم اندازهگيري شد. براي سختيسنجي، نمونهها توسط مانت سرد مانت گرديد و سپس يك لايه نازك طلا روي آن پوشش داده شد. براي تخلخلسنجي، از سطح مقطع نمونهها تصوير ماكرو گرفته شد و توسط نرمافزار پردازش تصوير (MIP)، پردازش گرديد. بررسي رفتار حرارتي پوشش توسط دستگاه
.انجام گرفت TGA-50/50H

3- نتايج و مباحث
در ابتدا بهمنظور اطمينان از يكنواختي در پوشش و عدم حضور ترك در فصل مشترك با مقاطع غيريكنواخت مخلوط آماده شده رو ي سطح رزوه يك پيچ پوشش داده شد سپس از سطح

2.5
mm

2.5

mm

vol
شكل (4): تصوير پوشش روي يك سطح پيچيده با 45% آلومينا و
vol 3/4% كافئين.

تصاوير SEM از ساختار ميكروسكوپي پوشش، تخلخلهايي را بهصورت ماكرو و ميكرو نشان ميدهد. وجود اين تخلخلها موجب تضعيف ساختار ميشوند. شكل (5) تصوير SEM
پوشش را نشان ميدهد. پردازش تصوير تخلخلها نشان ميدهد شكل (7): نمايش اثر نوع استر چسب سيانواكريلات در ميزان تخلخل در
مقطع برش، تصوير ماكرو گرفته شد. همانطور كه در شكل (4) مشاهده ميشود هيچگونه ترك ماكروسكوپي در فصل مشترك ديده نميشود.

)
الف
(

)
ب
(

5
mm
5
mm

)



قیمت: تومان


پاسخ دهید