Προσδιορισμός της συγκόλλησης και της πρόσφυσης μέσω αξονικών μετρήσεων σε περιστροφικό ρεόμετρο - Blu-Tack®

Εισαγωγή

Η προσκόλληση ή κολλητικότητα στο πλαίσιο της συμπεριφοράς των υλικών σχετίζεται με την προσκόλληση και μπορεί να προκύπτει από δυνάμεις πρόσφυσης μεταξύ δύο υλικών σε επαφή ή από δυνάμεις συνοχής σε ένα υλικό που γεφυρώνει δύο υποστρώματα.

Για τα συγκολλητικά ευαίσθητα στην πίεση, συμπεριλαμβανομένων των ταινιών και των ετικετών, η προσκόλληση ορίζεται ως η ικανότητα σχηματισμού συγκολλητικού δεσμού με ένα υπόστρωμα υπό ελαφρά πίεση και σύντομη επαφή και αποτελεί βασική απαίτηση για τα προϊόντα αυτά. Για άλλα υλικά και εφαρμογές, η πρόσφυση μπορεί να αποτελεί ανεπιθύμητη ιδιότητα, όπως για παράδειγμα τα τσιμέντα οστών, τα οποία σύμφωνα με το ISO5833 [3] πρέπει να μην έχουν πρόσφυση, ώστε να επιτρέπουν στο χρήστη να διαμορφώνει και να εφαρμόζει το τσιμέντο χωρίς να προσκολλάται σε γάντια ή βοηθήματα εφαρμογής.

Η πρόσφυση μπορεί επίσης να επηρεάσει τη συμπεριφορά και την αντίληψη των καταναλωτικών προϊόντων, παραδείγματα είναι η εξώθηση παχιών ιξωδοελαστικών προϊόντων όπως η οδοντόκρεμα από τα σωληνάρια ή η μάσηση ή ο χειρισμός κολλώδους φαγητού. Μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την αξιολόγηση των ιδιοτήτων μιας επιφάνειας και να κρίνει αν είναι καθαρή ή όχι. Επομένως, η ποιοτική αξιολόγηση της προσκόλλησης μπορεί να γίνει απλά μέσω της αφής ή της αίσθησης, ωστόσο, οι αξιολογήσεις αυτές είναι υποκειμενικές, δύσκολα ποσοτικοποιήσιμες και μπορεί να επηρεαστούν από άλλους πρόσθετους παράγοντες.

Για πολλές δραστηριότητες research και ανάπτυξης, μπορεί να είναι χρήσιμο να ελέγχεται, να συγκρίνεται και να ποσοτικοποιείται η "κολλητικότητα" ή η "κολλητικότητα" με τη χρήση μιας απλής αντικειμενικής δοκιμής. Για τη βιομηχανία συγκολλητικών, υπάρχουν πολλές τέτοιες τυποποιημένες δοκιμές διαθέσιμες ανάλογα με τον τύπο του προϊόντος, συμπεριλαμβανομένων δοκιμών όπως οι δοκιμασίες loop tack, quick stick και rolling ball.

Δοκιμή με ανεστραμμένο καθετήρα

Το παρόν σημείωμα εφαρμογής αφορά μια άλλη δοκιμή που χρησιμοποιείται συνήθως στη βιομηχανία συγκολλητικών, γνωστή ως δοκιμή με ανεστραμμένο καθετήρα. Σε αυτή τη δοκιμή, ένας ανεστραμμένος καθετήρας έρχεται σε επαφή με την κόλλα με σταθερή ταχύτητα, πίεση επαφής και χρόνο επαφής. Η πρόσφυση καταγράφεται στη συνέχεια ως η μέγιστη δύναμη που απαιτείται για να σπάσει η προκύπτουσα σύνδεση.

Εδώ, η αιχμή της αρνητικής κανονικής δύναμης (εφελκυσμός) μπορεί να αποδοθεί στην "προσκόλληση", το εμβαδόν κάτω από την καμπύλη δύναμης-χρόνου στην αντοχή της κόλλας ή της συνοχής και ο χρόνος που απαιτείται για να μειωθεί η μέγιστη δύναμη κατά 90% αποτελεί συγκριτικό μέτρο του ρυθμού ή του χρόνου αστοχίας, όπως φαίνεται στο σχήμα 1.

Πειραματικό

• Οι ιδιότητες πρόσφυσης του Blu-Tack® μετρήθηκαν χρησιμοποιώντας ένα εύρος δυνάμεων επαφής (5 N, 10 N, 15 N και 20 N).
• Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν με τη χρήση ενός ρεομέτρου περιστροφής Kinexus με φυσίγγιο πλάκας Peltier με χρήση άνω πλάκας 20 mm και κάτω πλάκας 65 mm (ανοξείδωτος χάλυβας) και τυποποιημένη προκαθορισμένη ακολουθία στο λογισμικό rSpace.
• Μια μπάλα δείγματος βάρους 1,3 g τοποθετήθηκε στο κέντρο της κάτω πλάκας χωρίς να ασκηθεί πίεση και η άνω πλάκα ερχόταν σε επαφή με το δείγμα με ταχύτητα προσέγγισης 10 mm/s έως ότου επιτευχθεί η απαιτούμενη δύναμη επαφής.
• Μετά από μια περίοδο επαφής 2 δευτερολέπτων το διάκενο αυξήθηκε γραμμικά με ταχύτητα 10 mm/s και η κανονική δύναμη καταγράφηκε ως συνάρτηση του χρόνου.
• Όλες οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν στους 25°C.

Αποτελέσματα και συζήτηση

Στο Σχήμα 2 παρουσιάζεται ένα προφίλ διάκενου και κανονικής δύναμης για το Blu-Tack® με εφαρμογή κανονικής δύναμης 10 N. Αυτό δείχνει την προσέγγιση της άνω πλάκας στο δείγμα με ταχύτητα 10 mm/s και την αύξηση της κανονικής δύναμης καθώς γίνεται η επαφή. Μετά από μια περίοδο επαφής 2 s, το διάκενο αυξάνεται γραμμικά στα 10 mm/s, γεγονός που αντιστοιχεί σε μείωση της θλιπτικής δύναμης αλλά σε εναπομένουσα εφελκυστική δύναμη που αντιστοιχεί στην προσκόλληση και την πρόσφυση.

Πίνακας 1: Αποτελέσματα ανάλυσης με βάση το σχήμα 3 για διαφορετικές πιέσεις επαφής

Τα συγκριτικά αποτελέσματα για τις διάφορες πιέσεις επαφής παρουσιάζονται στο Σχήμα 3 και στον Πίνακα 1. Τα αποτελέσματα αυτά αφορούν μόνο την εφελκυστική (αρνητική) δύναμη, η οποία αντιστοιχεί στην προσκόλληση και την πρόσφυση.

Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η υπολειπόμενη τάση ή η πρόσφυση αυξάνεται με την εφαρμοζόμενη κανονική δύναμη, ιδίως μέχρι τα 15 N, ενώ μόνο μια μικρή αυξητική αύξηση παρατηρείται με την εφαρμοζόμενη κανονική δύναμη των 20 N. Όσον αφορά το εμβαδόν κάτω από τις καμπύλες, το οποίο σχετίζεται με την αντοχή της κόλλας/συγκόλλησης του υλικού, αυτό φαίνεται να αυξάνεται με τη δύναμη επαφής μέχρι τα 15 Ν και στη συνέχεια παρατηρείται μείωση στα 20 Ν, υποδεικνύοντας ότι υπάρχει μια βέλτιστη δύναμη επαφής μεταξύ 10 Ν και 20 Ν που δίνει μέγιστη πρόσφυση υπό αυτές τις συνθήκες.

Οι χρόνοι για την εξασθένηση της κανονικής δύναμης κατά 90% των μέγιστων τιμών της είναι παρόμοιοι για δυνάμεις επαφής 5 N, 10 N και 15 N, αλλά ελαφρώς χαμηλότεροι για 20 N, γεγονός που υποδηλώνει ελαφρώς ταχύτερο ρυθμό αστοχίας μετά από πίεση 20 N.

Συμπέρασμα

Ένα ρεόμετρο περιστροφής Kinexus με προηγμένες δυνατότητες αξονικής δοκιμής μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αξιολόγηση της κολλητικότητας ή των συνεκτικών/κολλητικών ιδιοτήτων των ευαίσθητων στην πίεση συγκολλητικών ουσιών. Στην παρούσα μελέτη, οι ιδιότητες αυτές αξιολογήθηκαν και συγκρίθηκαν για ένα δείγμα Blu-Tack® με διαφορετικές δυνάμεις επαφής. Αυτό υποδηλώνει ότι υπάρχει μια βέλτιστη πίεση μεταξύ 10 N και 20 N που δίνει μέγιστη πρόσφυση υπό τις συνθήκες της δοκιμής.