Yapıştırıcı Teknolojileri: Tarihçesi ve Çeşitleri

16 Temmuz 2020

Yapıştırıcı, en basit anlatımıyla malzemeleri fonksiyonel bir şekilde bir arada tutabilen herhangi bir madde olarak tarif edilebilir. Genel bir terim olarak yapışkan bir bağ oluşturan çimento, zamk, tutkal ve macun gibi terimleri içerir.

Antik çağlardan beri antik yapıştırıcılar bilinmektedir. Erken dokunmamış bir kumaş olan papirüs, un macunu ile birbirine bağlanmış kamış bitkilerin liflerini içeriyordu. Bitüm, ağaç sahaları ve bal mumu, eski ve orta çağda sızdırmazlık malzemeleri (koruyucu kaplamalar) ve yapıştırıcılar olarak kullanılmıştır. Parıltılı el yazmalarının altın yaprakları yumurta akı ile kağıda yapıştırılmıştır. Ahşap nesneler balık, boynuz gibi materyallerden elde edilen tutkallarla yapıştırılmıştır. Hayvan ve balıklardan tutkal elde edilme teknolojisi 18. yüzyılda ilerlemiştir. 19. yüzyılda kauçuk ve nitroselüloz esaslı çimentolar tanıtılmıştır. Bununla birlikte, yapıştırıcı teknolojisindeki kararlı ilerlemeler için neredeyse 20. Yüzyıla kadar beklendi. Bu süre zarfında doğal yapıştırıcılar geliştirildi ve sonrasında piyasadaki doğal yapıştırıcıların yerini almak için birçok sentetiğin laboratuvarlardan çıktığı görülmektedir.

20. yüzyılın ikinci yarısında uçak ve havacılık endüstrilerinin hızlı büyümesi, yapıştırıcı teknolojisi üzerinde derin bir etki yarattı. Yüksek derecede yapısal mukavemete sahip olan ve hem yorgunluğa hem de zorlu çevre koşullarına karşı dirençli olan yapıştırıcılara olan talep, sonunda birçok endüstriyel ve evsel uygulamada kullanılan yüksek performanslı malzemelerin geliştirilmesine yol açmıştır.

Yapışma Nedir ve Nasıl Gerçekleşir?

Yapıştırıcı bağlantılarının performansında, yapıştırıcının fiziksel ve kimyasal özellikleri en önemli faktörlerdir. Yapışkan eklemin yeterli performans gösterip göstermeyeceğinin belirlenmesinde ayrıca yapışkan tipleri (yani birleştirilen bileşenler – örneğin metal alaşımı, plastik, kompozit malzeme) ve yüzey ön işleminin veya astarın doğası da önemlidir. Bu üç faktörün (yapıştırıcı, yapıştırılan ve yüzey – adhesive, adherend, surface) bağlı yapının hizmet ömrü üzerinde etkisi vardır. Bağlı yapının mekanik davranışı, birleşim (joint) tasarımının detaylarından ve uygulanan yüklerin bir yapıştırıcıdan diğerine aktarılma yönteminden etkilenir.

Kabul edilebilir bir yapışkan bağ oluşumunda etkili olan, yapıştırıcının, yapıştırılacakların üstüne yayılma ve bunları ıslatma yeteneğidir.

Bu tür ara yüzey moleküler temasının sağlanması, güçlü ve kararlı yapışkan bağlantıların oluşmasında gerekli bir ilk adımdır. Islanma elde edildikten sonra, bir dizi mekanizma yoluyla arayüz boyunca kendinden yapışma kuvvetleri üretilir. Bu mekanizmaların kesin doğası, en azından 1960’lardan beri fiziksel ve kimyasal çalışmanın konusu olmuştur ve bunun sonucunda bir takım yapışma teorileri bulunmaktadır. Ana yapışma mekanizması, maddelerin esas olarak moleküller arası temas nedeniyle yapıştığını belirten adsorpsiyon teorisi ile açıklanmaktadır.

Yapışkan birleşimlerde bu temas, yapıştırıcı ve yapıştırılan yüzey tabakalarındaki moleküller tarafından uygulanan moleküller arası veya değerlik kuvvetleri ile sağlanır. Fiziksel adsorpsiyon esas olarak adsorbat molekülleri ile adsorban yüzeyi oluşturan atomlar arasındaki van der Waals kuvvetleri ve elektrostatik Yapışkan birleşimlerde bu temas, yapıştırıcı ve yapıştırılan yüzey tabakalarındaki moleküller tarafından uygulanan moleküller arası veya değerlik kuvvetleri ile sağlanır. Fiziksel adsorpsiyon esas olarak adsorbat molekülleri ile adsorban yüzeyi oluşturan atomlar arasındaki van der Waals kuvvetleri ve elektrostatik kuvvetlerden kaynaklanır. Dolayısıyla adsorbanlar ilk olarak yüzey alanı ve polarite gibi yüzey özellikleri ile karakterize edilir.

Adsorpsiyona ek olarak, diğer dört yapışma mekanizması önerilmiştir. İlki mekanik kilitleme, yapışkan yapışkan yüzeydeki gözeneklere veya yüzeydeki çıkıntıların etrafına aktığında meydana gelir. İkincisi olan interdiffüzyonda sıvı yapışkan eridiğinde ve yapışkan malzemelere difüze olduğunda ortaya çıkar. Üçüncü mekanizma ise adsorpsiyon ve yüzey reaksiyonudur, burada yapışkan moleküller katı bir yüzeye adsorbe edildiğinde ve bununla kimyasal olarak reaksiyona girdiğinde bağlanma meydana gelir. Kimyasal reaksiyon nedeniyle, bu işlem bir dereceye kadar yukarıda açıklanan basit adsorpsiyondan farklıdır, ancak bazı araştırmacılar kimyasal reaksiyonun ayrı bir yapışma mekanizması değil, toplam adsorpsiyon sürecinin bir parçası olduğunu düşünmektedir. Son olarak, elektronik veya elektrostatik çekim teorisi, farklı elektronik bant yapılarına sahip malzemeler arasındaki bir arayüzde elektrostatik kuvvetlerin geliştiğini düşündürmektedir. Genel olarak, bu mekanizmaların birden fazlası, çeşitli yapıştırıcı ve yapıştırma türleri için istenen yapışma seviyesinin elde edilmesinde rol oynar.

Bir yapışkan bağ oluşumunda, yapışkan ile yapışkan arasındaki arayüzde bir geçiş bölgesi ortaya çıkar. İnterfaz adı verilen bu bölgede, yapıştırıcının kimyasal ve fiziksel özellikleri, temassız kısımlardan önemli ölçüde farklı olabilir. Genel olarak, fazlar arası bileşimin yapışkan bir eklemin dayanıklılığını ve mukavemetini kontrol ettiğine ve esas olarak stresin bir yapışkandan diğerine aktarılmasından sorumlu olduğuna inanılmaktadır. Interfaz bölgesi sıklıkla çevresel saldırıya maruz kalır ve bu da birleşim yetmezliğine yol açar.

Yapışkan bağların mukavemeti genellikle, test parçasının kırılma noktasında veya çizgisinde oluşan gerilimleri ölçen yıkıcı testlerle belirlenir. Soyulma, çekme klapesi kesme, dilinim ve yorulma testleri dahil olmak üzere çeşitli test yöntemleri kullanılmaktadır. Bu testler geniş bir sıcaklık aralığında ve çeşitli çevre koşullarında gerçekleştirilir. Yapışkan bir eklemi karakterize etmenin alternatif bir yöntemi, fazın bir birim alanını ayırmak için harcanan enerjinin belirlenmesidir. Bu tür enerji hesaplamalarından elde edilen sonuçlar, prensip olarak, stres analizinden elde edilen sonuçlara tamamen eş değerdir.

Hemen hemen tüm sentetik yapıştırıcılar ve bazı doğal yapıştırıcılar, dev moleküller olan polimerlerden veya monomerler olarak bilinen binlerce daha basit molekülün birleştirilmesiyle oluşturulan makromoleküllerden oluşur. Polimer oluşumu (polimerizasyon olarak bilinen bir kimyasal reaksiyon), polimerizasyonun yapışkan-bağ oluşumu ile (epoksi reçineleri ve siyanoakrilatlarda olduğu gibi) eşzamanlı olarak gerçekleştiği bir “sertleştirme” basamağı sırasında meydana gelebilir veya polimer malzeme, stiren-izopren-stiren blok kopolimerleri gibi termoplastik elastomerlerde olduğu gibi, bir yapıştırıcı olarak uygulanmadan önce oluşur. Polimerler mukavemet, esneklik ve yapışkan bir yüzeye yayılma ve etkileşme yeteneği kazandırır – bunlar kabul edilebilir yapışma seviyelerinin oluşumu için gerekli özelliklerdir.

Yapıştırıcı Çeşitleri

Çeşitli uygulamalar için çok sayıda yapışkan tipi vardır. Kimyalarına (örn. epoksiler, poliüretanlar, poliimidler), formlarına (örn. macun, sıvı, film, peletler, bant), türlerine (örn. sıcak eriyik, reaktif sıcak eriyik, termoset,) bağlı olarak veya basınca duyarlı, temas, vb.) veya yük taşıma kapasitelerine (yapısal, yarı yapısal veya yapısal olmayan) göre çeşitli şekillerde sınıflandırılabilirler.

Yapısal yapıştırıcılar, camlaşma sıcaklığının altında kullanılan nispeten güçlü yapıştırıcıları ifade eder. Bu kavram önemlidir çünkü camlaşma sıcaklığının üstünde polimerler lastiksiyken, altında olduğunda camsı olur. Yapısal yapıştırıcıların yaygın örnekleri arasında epoksiler, siyanoakrilatlar ve bazı üretanlar ve akrilik yapıştırıcılar yer alır. Bu tür yapıştırıcılar önemli gerilimler taşıyabilir ve yapısal uygulamalara katkıda bulunabilir. Birçok mühendislik uygulaması için yarı yapısal (başarısızlığın daha az kritik olacağı uygulamalar) ve yapısal olmayan (cephelerin vb. estetik amaçlar için uygulamaları) tasarım mühendisi için de oldukça önemlidir ve bitmiş ürünlerin montajı maliyet etkin araçlar sağlar. Bunlar, elastomerik bir yapıştırıcı içeren bir çözeltinin veya emülsiyonun her iki yapıştırılan üzerine kaplandığı, çözücünün buharlaşmasına izin verildiği ve daha sonra iki yapışkanın temas ettirildiği kontakt yapışkanları içerir. Örnekler arasında kauçuk çimento ve laminatları tezgahlara yapıştırmak için kullanılan yapıştırıcılar yer alır.

Basınca duyarlı yapıştırıcılar, küçük basınçlar altında kolayca deforme olan ve ıslak yüzeylere izin veren çok düşük modüllü elastomerlerdir. Substrat ve yapışkan yakın temasa getirildiğinde, van der Waals kuvvetleri teması sürdürmek için yeterlidir ve hafif yüklü uygulamalar için nispeten dayanıklı bağlar sağlayabilir. Basınca duyarlı yapıştırıcılar normalde yapısal olmayan uygulamalar için bantlar veya etiketler olarak satın alınsa da, yarı yapısal uygulamalarda kullanılabilen çift taraflı köpük bantlar olarak da gelebilir. Adından da anlaşılacağı gibi, sıcak eriyikler ısıtıldığında sıvı hale gelir, yüzeyleri ıslatır ve daha sonra katı bir polimere soğutur. Bu malzemeler, tüketiciler tarafından yaygın olarak kullanılan tutkal tabancalarının daha sofistike versiyonlarını kullanarak çok çeşitli mühendislik uygulamalarında kullanılmaktadır. Anaerobik yapıştırıcılar oksijenden yoksun dar alanlarda kürlenir; bu tür malzemeler, makine mühendisliği uygulamalarında cıvataları veya rulmanları yerinde kilitlemek için yaygın olarak kullanılmaktadır. Diğer yapıştırıcılarda kür, ultraviyole ışığına veya elektron ışınlarına maruz bırakılarak indüklenebilir veya birçok yüzeyde her yerde bulunan su gibi belirli malzemeler tarafından katalize edilebilir.

Çeşitli kimyaların yapıştırıcıları da birçok farklı formda mevcuttur. Yapısal uygulamalar için yapıştırıcılar macunlar, sıvılar, filmler ve desteklenen filmler olarak mevcuttur. İkincisi, taşıma özelliklerini geliştirmek ve ayrıca bir miktar kalınlık kontrolü sunmak için gevşek örgü veya hasır bez üzerinde desteklenir. Bu yapıştırıcıların çoğu, kürlendiğinde çok az gaz çıkarır veya hiç gaz çıkarmaz, bu da yapışkan içindeki boşluk olasılığını önemli ölçüde azaltır. Emilen nem önemli boşluk problemleri yaratabileceğinden, bu yapıştırıcıların kuru tutulması önemlidir. Isıyla sertleşen yapısal yapıştırıcılar normalde, dikkatle kontrol edilen stokiyometri yoluyla istenen zaman aralığı içinde sertleşen bir ürüne karıştırılan iki parçalı formlarda mevcuttur.

Reçine ve sertleştiricinin (çapraz bağlama maddesi) zaten birlikte karıştırıldığı tek parçalı formlar da mevcuttur. Bu tek parçalı formlar, reaksiyonun erken gerçekleşmediği, bazen düşük sıcaklıklarda aktif olmayan gizli çapraz bağlama ajanları kullanılarak yeterince düşük sıcaklıkta tutulmalıdır. Tek parçalı termoset yapıştırıcılar genellikle sınırlı raf ömrüne sahiptir ve genellikle düşük sıcaklıklarda saklanmalıdır, ancak çok yüksek performans özellikleri sunar. Kap ömrü, iki parçalı bir yapıştırıcının karıştırılmasından sonra çalışılabilir olduğu süreyi ifade eder ve yine de tatmin edici bir bağ oluşturur. Kap ömrü çok kısa olan malzemeler çok hızlı sertleşir ve işçilere ürünü monte etmek için yeterli zaman vermez. Aşırı uzun bir kap ömrü kürleşme süresini geciktirebilir ve montaj işlemini yavaşlatabilir.

Yapıştırıcılar, geldiği forma bağlı olarak çeşitli şekillerde uygulanabilir. Yapıştırıcılar bir yüzeye manuel olarak yayılabilir veya halihazırda mevcut olan çeşitli sofistike nozullar ve robotik ekipman kullanılarak dağıtılabilir. Yapışma temizliğinin sağlanması, kür sırasında uygun mastarların ve sabitlemenin sağlanması ve yeterli kür koşullarının sağlanması, belirli yapıştırıcılar için önemli hususlar olabilir.

Kaynak

https://www.britannica.com/technology/adhesive/Synthetic-adhesives
https://www.adhesives.org/adhesives-sealants/science-of-adhesion/design-of-adhesives-bonds/types-of-adhesives Pike, Roscoe. “adhesive”. Encyclopædia Britannica Online. Encyclopædia Britannica Inc. Retrieved 9 April 2013.
Kinloch, A.J. (1987). Adhesion and Adhesives : Science and Technology (Reprinted. ed.). London: Chapman and Hall. p. 1. ISBN 0-412-27440-X.
Görseller: pixabay.com

Hazırlayan: B. Serhat Cengiz