مقدمه:
با حذف اتصالات مکانیکی، سوراخ ها حذف می شوند و در این شرایط، قطعه کامپوزیتی عملکرد خستگی بهتری خواهد داشت. مهم تر از اینها این است که حتی اگر قیمت ماده چسبی بیشتر از قیمت اتصالات مکانیکی باشد، چون با حذف عملیات سوراخکاری، سرعت سیکل تولید بیشتر می شود و زمان سیکل کاهش می یابد، هزینه کلی با استفاده از چسب کمتر خواهد بود.
در صنعت هوافضا، در ساختارهای تجاری هوافضایی که با استفاده از چسب ها متصل شده اند، استفاده از اتصالات مکانیکی اضافی الزامی است ولی در سایر صنایع مانند صنایع دریایی و انرژی بادی، سازندگان با آغوش باز پذیرای اتصالاتی هستند که تنها به کمک چسب به هم متصل شده اند. کاربردهای بسیار دیگری مانند معماری و خودروسازی آمادگی بهره برداری از پیشرفت های فناوری اتصال را دارند.
این پذیرش موجب رشد سریع و طولانی مدت در توسعه چسب های ساختاری شده است. بازار جهانی برای انواع چسب ها بیش از ۴۵ میلیارد دلار است و مطابق پیش بینی شرکت تحقیقاتی هندی Markets and Markets، رشد سالانه آن ۸۵٪ خواهد بود. براساس کتاب Chemistry and Technology Structural Adhesives: نوشته S.R. Hartshorn چسب های ساختاری گرماسخت، ۱۰ تا ۱۵٪ از ابزار کلی چسب در سال ۲۰۱۵ را به خود اختصاص داده بودند و از دهه ۱۹۸۰ رشد سالانه ۷ تا ۹٪ را سپری کرده اند. همچنین گروه Freedonia در Cleveland ایالات متحده پیش بینی می کند که تقاضا برای چسب ها و درزگیرها (sealants) رشد سالانه ۵/۴ درصدی خواهد داشت و تا سال ۲۰۱۹ میلادی به ۲/۲۰ تن خواهد رسید. بنابراین چسب های ساختاری می تواند بازاری به ارزش ۵/۴ میلیارد دلار داشته باشد و تا سال ۲۰۲۰ میلادی این میزان به ۶ تا ۷ میلیارد دلار برسد.
مبانی چسب های ساختاری
چسبی ساختاری است که استحکام کافی برای انتقال یا تقسیم بار بین قطعاتی که به شدت تحت تنش هستند را داشته باشد. سازندگان چسب معمولا برای مشخص کردن یک اتصال متصل شده با استفاده از یک چسب ساختاری، شرط نیروی حداقلی MPa 9/6 را در آزمون Lap shear coupon لازم می دانند. برای دستیابی به چنین عملکردی یا به بیان دیگر چسبندگی کارآمد، باید شیمی چسب به گونه ای باشد که مولکول هایش در زیرآیند حل شده و امکان تشکیل پیوند شیمیایی کووالانسی را فراهم کند تا چسب و زیرآیند به هم پیوند بخورند.
با افزایش انرژی سطحی از طریق سایش سطح زیرآیند، می توان اتصال را قوی تر کرد. با وجودی که این کار باید با دقت انجام گیرد تا باعث تخریب الیاف نشود ولی ترک های میکروسکوپی، موجب افزایش مساحت سطح شده و چسب را به خوبی به صورت مکانیکی درگیر می کند. علاوه بر این، خواص ساختاری چسب را می توان با انواع افزودنی ها مانند نرم کننده ها، رابرها، عوامل پخت و شتاب دهنده ها جهت کاهش یا افزایش ویسکوزیته، ازدیاد طول و سرعت پخت تنظیم کرد. گاهی نیز میکروسفرهایی به عنوان فاصله دهنده (spacer) به چسب اضافه می شوند تا ضخامت فصل مشترک اتصال ثابت بماند.
سه نوع رزین گرما سخت وجود دارند که در تهیه چسب ها بر دیگر مواد ترجیح داده می شوند که عبارتند از اپوکسی (متداولترین)، پلی یورتان و آکریلیک (شامل متیل متا آکریلات یا MMA). رزین اپوکسی از بقیه استحکام بیشتری دارد و دارای مقاومت شیمیایی و دمایی زیادی است. در نتیجه برای صنایع هوافضا مناسب و استفاده از آن متداول تر است. چسب های یورتانی چقرمه در محیط های مختلف به خوبی عمل می کنند ولی به طور کلی استحکام کمتری نسبت به اپوکسی ها و آکریلیک ها دارند. آکریلیک ها و MMAs استحکام اتصال بالایی به پلاستیک ها، فلزات و کامپوزیت ها دارند، عملکرد خوبی حتی بر روی سطوح روغنی و در دماهای سطح پایین تر نسبت به اپوکسی ها دارند. انتخاب نوع چسب به عوامل بسیاری بستگی دارد نظیر محیط گرمایی، شیمیایی و شرایط تنش در کاربرد مورد استفاده.
چسب های ساختاری به شکل های مایع، خمیر و فیلم می توانند وجود داشته باشند. شکل مایع به دلیل خط پیوند نازک، معمولا انتقال بار بهتری دارد ولی پس از پخت ممکن است شکننده باشد. شکل خمیری با ویسکوزیته cp 8000 یا بیشتر، خط اتصال ضخیم تری را تشکیل می دهد، ازدیاد طول بیشتر و استحکام ضربه بالاتر دارد. شکل فیلم به گرما احتیاج دارد و معمولا در هوافضا و برای اتصال پوسته به هسته لانه زنبوری استفاده می شود.