بهبود خواص مکانیکی و باندی چسب های اپوکسی اصلاح شده توسط SiO2نانوذرات با گروه‌های فعال

به منظور بهبود خواص مکانیکی و باندی چسب های اپوکسی برای دامنه کاربرد گسترده آنها، چسب های اپوکسی اصلاح شده در این مطالعه با SiOO تولید شدند.₂نانوذرات با اندازه 20 نانومتر، از جمله گروه های غیر فعال، NH₂گروه های فعال و C₄H₈گروه های فعالخواص مکانیکی نمونه ها مورد بررسی قرار گرفت و تحقیقاتی در مورد اثرات چسب اپوکسی اصلاح شده توسط سه نوع SiO انجام شد.₂نانوذرات بر روی خواص پیوند اتصالات دو لبه پلیمری تقویت شده با فیبر کربن و فولاد (CFRP/فولاد)با توجه به میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، اثر توزیع در چسب اپوکسی SiOO₂نانوذرات اصلاح شده توسط گروه‌های فعال بهتر از گروه‌های غیرفعال بود. وقتی کسر جرمی SiO₂-C₄H₈نانوذرات 0. 05 درصد، استحکام کششی، مدول کششی، ازدیاد طول در شکست، مقاومت خمشی، مدول خمشی و مقاومت ضربه چسب اپوکسی به حداکثر خود رسید که 47. 63٪، 44. 81٪، 57. 31٪، 62. 17٪، 33. 72٪ بود. به ترتیب 78. 89٪ و 68. 86٪ بیشتر از EP، و 8. 45٪، 9. 52٪، 9. 24٪، 20. 22٪، 17. 76٪، 20. 18٪ و 12. 65٪ بیشتر از گروه های غیرفعال SiO.₂به ترتیب نانوذرات. SiO₂نانوذرات اصلاح شده با NH₂یا سی₄H₈گروه‌های فعال در بهبود ظرفیت باربری نهایی و ویژگی‌های باند چسب‌های اپوکسی چسبانده شده به اتصالات دو لبه فولادی CFRP موثر بودند، در نتیجه کرنش و مقدار حداکثر تنش برشی سطح CFRP را افزایش دادند.

1. مقدمه

چسب اپوکسی به دلیل خواص مکانیکی عالی، خواص پیوند، خواص عایق، پایداری حرارتی، مقاومت قلیایی، خواص شیمیایی پایدار و هزینه کم، اکنون به طور گسترده در اتصال فلز یا غیر فلز با مواد ترموست استفاده می شود [1،2،3،4،5،6]، مانند لایه اتصال بین بتن با عملکرد فوق العاده بالا (UHPC) و یک لایه آسفالت نازک، یا پیوند پلیمر تقویت شده با فیبر کربن (CFRP) با سازه های فولادی آسیب دیده ناشی از خستگی. با این حال، چنین نمونه هایی نیاز به چسب های اپوکسی دارند که خواص مکانیکی، زبری سطح و چقرمگی عالی داشته باشند، با این حال کامپوزیت های چسب اپوکسی اصلاح نشده بسیار شکننده و آسیب پذیر در برابر ترک هستند [7،8،9]. ویژگی های فوق کاربرد چسب های اپوکسی را در مهندسی عمران، صنایع نظامی، دفاع ملی، صنایع شیمیایی، هوافضا و سایر صنایع با تکنولوژی بالا محدود می کند [10،11]. بنابراین، بررسی چگونگی بهبود خواص مکانیکی چسب های اپوکسی به طور موثر ضروری است [12،13،14،15،16،17،18].

یک روش متداول برای تقویت و سفت کردن رزین اپوکسی، معرفی یک پرکننده مناسب است. اتم های سطحی نانومواد به شدت غیراشباع هستند، که باعث می شود آنها قادر به واکنش با گروه های فعال در چسب های اپوکسی برای ایجاد نیرو باشند. بنابراین، بسیاری از محققان علاقه قابل توجهی به تعیین نانوپرکننده بهینه نشان داده‌اند. در [19]، نویسندگان اثرات افزودن یک پرکننده معدنی بر خواص مکانیکی کامپوزیت های اپوکسی را مورد مطالعه قرار دادند و ثابت شد که افزودن اخر به کامپوزیت اپوکسی باعث افزایش پایداری حرارتی کامپوزیت می شود. فولی و همکاران[20] دریافتند که چقرمگی شکست و شکل‌پذیری به ترتیب 47. 3 و 12 درصد برای کامپوزیت اپوکسی اصلاح شده توسط نانوذرات آلومینا 0. 4 درصد وزنی افزایش یافته است. جالب توجه است، با استفاده از پرکننده خاکستر بادی طبقه‌بندی شده به عنوان زباله‌های صنعتی، نتایج با کامپوزیت خاکستر بادی/اپوکسی نشان داد که استحکام کششی با محتوای خاکستر بادی تا آستانه بحرانی افزایش می‌یابد و سپس با محتوای خاکستر بالاتر کاهش می‌یابد [21]. در نتیجه، مواد کامپوزیت منجر به ایجاد ریزترک‌های بیشتری در جهات مختلف می‌شود که به عنوان یک عامل سخت‌کننده عمل می‌کند [22،23،24،25،26،27،28،29،30،31،32،33].

با این حال، نانومواد می توانند اثرات اندازه کوچک ایجاد کنند و در هنگام مخلوط شدن با رزین اپوکسی تمایل به تجمع دارند، در نتیجه منجر به ناهمگونی بالای مواد کامپوزیتی و ایجاد تمرکز تنش در فرآیند تحمل بار می شود. در [34]، تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی تأیید کرد که نانوکامپوزیت‌هایی با بارگذاری MMT اصلاح‌شده ارگانیک بیش از 1 درصد وزنی، ذرات تاکتوئیدی و تجمع بزرگی را نشان می‌دهند. علاوه بر کاهش بهبود خواص مکانیکی مواد کامپوزیتی، این امر همچنین منجر به افزایش ویسکوزیته و مشکلات در تولید می‌شود [35،36]. اصلاح سطح نانومواد توسط تعداد زیادی از گروه‌های فعال می‌تواند سازگاری بین نانومواد و چسب‌های اپوکسی را بهبود بخشد. نانومواد را می توان به طور موثر در چسب های اپوکسی پراکنده کرد، که منجر به بهبود خواص مکانیکی کامپوزیت می شود [37،38،39،40،41]. در بیشتر تحقیقات موجود در مورد سخت‌کننده چسب اپوکسی، تمرکز بر تنظیم نسبت مخلوط نانومواد و عامل‌سازی عوامل جفت‌کننده برای بهبود خواص مکانیکی چسب‌های اپوکسی است [42،43،44،45]. سلیموف و همکاران[46] اثرات عوامل جفت کننده سیلان را بر پراکندگی ذرات در کامپوزیت های فیبر کربنی هیبریدی بررسی کردند و دریافتند که تیمارهای سطحی پراکندگی ذرات را بهبود بخشیده و رسوب را کاهش می دهد. در [47]، نویسندگان اثرات عامل جفت کننده سیلان (3-آمینوپروپیل تری اتیل سیلان) را بر روی ذرات آلومینا گزارش کردند که متعاقباً به عنوان پرکننده برای ماتریس رزین اپوکسی استفاده شد. نتایج حاصل از آزمایش مکانیکی بهبودهایی را از نظر خواص مکانیکی در نتیجه درمان کوپلینگ نشان داد. آکسیمنتیوا و همکاران[48] اصلاح سطح نانوذرات مگنتیت-پلیمر توسط BaZrO شب تاب را بررسی کرد.₃نانوبلورها و پلی آنیلین به عنوان مواد رسانا، و روش پیشنهادی اصلاح سطح ممکن است برای توسعه حسگرها و مواد کاربردی برای روش‌های تشخیصی در پزشکی استفاده شود. تسبریینکو و همکاران[49] پلی (اکسید تیتانیوم) شبکه های پلیمری متقابل را پیشنهاد کرد که نشان داد وجود پلی (اکسید تیتانیوم) سازگاری اجزای پلیمر متقابل را افزایش می دهد. یکی دیگر از یافته‌های جالب گزارش شده در [50] در مورد مقایسه خواص مکانیکی نانوکامپوزیت‌های آلومینا/اپوکسی اصلاح‌نشده و اصلاح‌شده سطحی است که حساسیت اصلاح سطح قدرت به ذره را تأیید می‌کند.

SiO₂نانوذرات آبدوست هستند و به راحتی در چسب های اپوکسی آگلومره می شوند، زیرا سطح SiO2₂نانوذرات حاوی مقدار زیادی هیدروکسیل (-OH) هستند. بنابراین لازم است سطح SiO را اصلاح کرد₂نانوذرات برای افزایش سازگاری با چسب های اپوکسی و بهبود اثر SiO₂نانوذرات بر خواص مکانیکی چسب های اپوکسیروش های اصلاح SiO₂نانوذرات شامل روش استری‌سازی الکل، روش جفت‌کننده سیلان، روش اصلاح پیوند پلیمری، روش سورفکتانت، روش اصلاح درجا و روش اصلاح با انرژی بالا می‌باشد که در این میان متداول‌ترین و سنتی‌ترین روش کوپلینگ سیلانی است. روش عاملعامل جفت کننده سیلان یک ماده شیمیایی با عملکرد واکنش دو طرفه است که می تواند رابط اتصال چسب اپوکسی و SiO را ایجاد کند.₂نانوذرات به یک پیوند شیمیایی تبدیل می‌شوند که می‌تواند عملکرد تقویتی SiO را به طور قابل توجهی بهبود بخشد₂نانو ذراتدر [51]، این مطالعه کامپوزیت های مبتنی بر اپوکسی حاوی SiO را بررسی کرد₂اصلاح شده توسط عوامل جفت سیلان مختلف، که نشان داد که خواص مکانیکی کامپوزیت اصلاح شده با ترکیب عوامل جفت کننده سیلان در محتوای سیلیس کمتر، به ویژه کرنش شکست، بهبود یافته است. در [52, 53]، مطالعات نشان دادند که عوامل جفت کننده پیوندهای هیدروژنی با زنجیره های سلولزی تشکیل می دهند که می تواند انرژی برهمکنش بین نانو سیلیس را افزایش دهد.₂و زنجیره های سلولزی، افزایش جذب بین نانو سیلیس₂و زنجیره های سلولزیدر مطالعه جالب دیگری، ر.[54] نشان داد که SiO با دی کلرودی متیل سیلان اصلاح شده است₂دارای محتوای بالاتری از گروه های آلی و چگالی پیوند بالاتر از SiO اصلاح شده با فنیل تری متوکسی سیلان است.₂. همانطور که توسط لی و همکاران پیشنهاد شده است.[30]، SiO اصلاح شده₂نانوذرات حاوی تعداد زیادی گروه فعال بر روی سطح هستند که می توانند با واکنش با گروه های اپوکسی در زمینه چسب اپوکسی، استحکام ضربه و بازده برشی کامپوزیت را بهبود بخشند. به طور خلاصه، معرفی گروه های فعال در SiO اصلاح شده₂نانوذرات قادر به بهبود خواص مکانیکی کامپوزیت های زمینه چسب اپوکسی هستند که راه حل موثری برای تقویت و سفت شدن آنها ارائه می دهد.

با در نظر گرفتن ضعف تحقیقات موجود، هدف این مقاله نشان دادن تاثیر چندین نانومواد اصلاح شده توسط گروه‌های فعال بر ویژگی‌های مکانیکی چسب‌ها است. بررسی خواص مکانیکی چسب‌های اپوکسی با افزودن سه نانوذره SiO انجام شد.₂نانو ذرات، SiO₂-NH₂نانو ذرات و SiO₂-C₄H₈نانوذرات: خواص مورد بررسی شامل رابطه سازنده تنش-کرنش، استحکام کششی، مدول الاستیک، ازدیاد طول در هنگام شکست، استحکام برشی، مقاومت ضربه و غیره است. علاوه بر مقایسه نسبت ترکیب در چسب اپوکسی، فناوری تکه تکه شدن و پراکندگی سلول اولتراسونیک برای بهبود بیشتر خواص مکانیکی چسب اپوکسی اصلاح‌شده با نانو، و میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) برای نشان دادن مکانیسم سایش استفاده شد. سپس، چسب اصلاح شده روی یک صفحه فولادی تقویت شده با CFRP اعمال شد تا اثرات SiO را آشکار کند.₂نانوذرات اصلاح شده با استفاده از گروه‌های غیرفعال و SiO₂نانوذرات اصلاح شده توسط NH₂گروه ها و سی₄H₈گروه‌ها، بر روی ویژگی‌های پیوند مشترک اتصالات لبه، مانند ظرفیت باربری نهایی، تنش برشی سطحی، و حداکثر دامنه انتقال تنش. در نهایت، نانوذرات و میزان بهینه برای تقویت صفحه فولادی تعیین شد.

2. مواد و روشها

2. 1. تهیه مواد آزمون

چسب اپوکسی (E-51 بیسفنول A؛ وزن معادل ویژه: 192-196 گرم در مول؛ ویسکوزیته در 25 درجه سانتی گراد: 11000~14000 mPa. sچگالی در 25 درجه سانتیگراد: 1. 6-2. 3 g/cm3. به دست آمده از Changsha Nan Xing Chemical Technology Co., Ltd., SINOPEC, Changsha, China)؛3-glycidoxypropyltrimethoxysilane (KH-560، موسسه تحقیقات شیمیایی چانگشا، چانگشا، چین)؛عامل پخت (ویسکوزیته در 25 درجه سانتیگراد: 500~1000 mPa. s به دست آمده از موسسه تحقیقات شیمیایی چانگشا، چین)؛SiO₂نانو ذرات (Bongrui New Material Technology Co., Ltd., Fuyang, China). قبل از انجام آزمایشات در این مقاله، مطالعات مربوطه بر روی SiO انجام شده است₂نانوذرات با کسر جرمی مختلف برای اصلاح چسب اپوکسی و کسر جرمی 0. 02، 0. 05، 0. 10، 0. 20 درصد و 0. 50 درصد به عنوان مقادیر ارائه شده انتخاب شدند. ابتدا 120 گرم چسب اپوکسی به مقادیر مشخصی از SiO اضافه شد₂نانوذرات (0. 024 گرم، 0. 06 گرم، 0. 12 گرم، 0. 24 گرم، 0. 60 گرم) و 3 گرم عامل جفت کننده. پس از 10 دقیقه پراکندگی دستی، آن را به مدت 2 ساعت در یک سنگ شکن سلولی اولتراسونیک قرار داد (سنگ شکن سلولی اولتراسونیک Xinzhi از شرکت Ningbo Xinzhi Biotechnology، Ltd.، Ningbo، چین تهیه شد). سپس، پس از پراکندگی کامل مخلوط، 35 گرم ماده پخت اضافه شده و کاملاً هم زده می شود. سپس مخلوط با سرعت یکنواخت در قالب نمونه ریخته شد و نمونه به صورت افقی در داخل خانه قرار گرفت و به مدت 7 روز در دمای اتاق پخت شد. فرآیند تولید نمونه چسب اپوکسی در شکل 1 نشان داده شده است و پارامترهای دقیق SiOO₂نانو ذرات در جدول 1 نشان داده شده است.

2. 2. اندازه گیری خواص کششی

خواص کششی چسب های اپوکسی مطابق با ASTM D638-10 [55] آزمایش شد و برای هر نسبت پنج نمونه تهیه شد. ابعاد نمونه در شکل 2 نشان داده شده است.

خصوصیات کششی شبه استاتیک چسب اپوکسی با استفاده از یک دستگاه تست جهانی الکترونیکی 50 کیلوگرم (WDW-300D ؛ Jinan Ke Sheng Testing تجهیزات تجهیزات تجهیزات تجهیزات دستگاه ، آموزشی ویبولیتین ، جینا ، چین) مورد آزمایش قرار گرفت. نمونه بین وسایل فوقانی و پایین دستگاه تست نشان داده شده در شکل 3 بسته شد. از لغزش بین نمونه و وسایل جلوگیری شد. در همین حال ، محور مرکزی نمونه با خط مرکزی وسایل فوقانی و تحتانی سازگار بود تا از بارگذاری محور اطمینان حاصل شود. پس از آن ، اکستنسومتر در قسمت میانی نمونه نصب شد. این آزمایش به طور یکنواخت و به طور مداوم با سرعت 2 میلی متر در دقیقه تا زمان خرابی بارگیری شد. در آن زمان ، مقدار بار خرابی ثبت شد و ضخامت در وسط و در هر دو انتهای بخش کششی اندازه گیری و به طور متوسط انجام شد.

2. 3اندازه گیری خواص خمشی

خصوصیات خمشی چسب های اپوکسی مطابق با ASTM D790-10 [56] مورد آزمایش قرار گرفت و پنج نمونه خمشی با ابعاد 10 میلی متر × 5 میلی متر × 120 میلی متر برای هر نسبت ساخته شد. نمودار نمونه در شکل 4 نشان داده شده است.

خصوصیات خمشی چسب های اپوکسی با استفاده از یک دستگاه تست جهانی الکترونیکی 50 کیلوگرم آزمایش شد. از آزمایش خمش سه نقطه برای بارگذاری نشان داده شده در شکل 5 استفاده شد. سه نقطه بارگذاری نمونه به ترتیب 10 میلی متر از لبه سمت چپ ، نقطه مرکزی و 10 میلی متر از لبه سمت راست بود. میزان بارگذاری و پردازش داده ها با آزمون کششی سازگار بود.

2. 4اندازه گیری عملکرد ضربه

خصوصیات ضربه چسب اپوکسی مطابق با GB/T 1043. 1-2008 [57] مورد آزمایش قرار گرفت و پنج نمونه ضربه با نوع A برای هر نسبت ساخته شد. نمودار یک نمونه از این دست در شکل 6 نشان داده شده است.

عملکرد تأثیر چسب های اپوکسی با استفاده از یک دستگاه تست ضربه پلاستیکی کریستال مایع (LZ21. 400-B ؛ شرکت آزمایش مواد MATERIAL SANSA SHENZHEN LAMBO SANSA ، Ltd. ، شنژن ، چین) مورد آزمایش قرار گرفت. یک تحمل پرتوی ساده با دهانه 60 میلی متر در آزمایش انتخاب شد. تیغه ضربه آونگ دقیقاً در وسط دهانه بود. هنگام بارگذاری ، نمونه از پشتیبانی چپ و راست 10 میلی متر گسترش یافته است. آونگ با دست به سمت عقربه های ساعت به انتها تبدیل شد و سپس به سرعت آزاد شد و نمونه توسط آونگ در جهت عقربه های ساعت قرار گرفت.

2. 5اندازه گیری عملکرد برشی

خصوصیات برشی چسب های اپوکسی مطابق با استانداردهای بین المللی ISO 4587-2003 [58] مورد بررسی قرار گرفت و پنج نمونه برای هر نسبت تهیه شد. ابعاد نمونه در شکل 7 نشان داده شده است.

خصوصیات برشی چسب های اپوکسی با استفاده از یک دستگاه تست جهانی الکترونیکی 50 کیلوگرم انجام شد. برای تأیید اینکه هیچ گشتاور ایجاد نشده است ، یک تکه از صفحه فولادی با ضخامت برابر در هر دو انتها بسته شد. این آزمایش به طور مداوم و مداوم با سرعت 1 میلی متر در دقیقه بارگیری می شد تا زمان خرابی ، و مقدار بار خرابی در آن زمان ثبت شد. دستگاه بارگیری در شکل 8 نشان داده شده است.

2. 6اندازه گیری دارایی اوراق قرضه

از نظر فرم و بعد ، طراحی نمونه ها برای تست کششی اتصالات چسب دو دامنه CFRP/فولاد به عنوان نوع A در ASTM D3528-96 (R2008) گفته می شود [59]. شکل نمونه ها و موقعیت نصب سنسورها در شکل 9 نشان داده شده است. طول کل نمونه ها 500 میلی متر ، طول صفحه فولادی مورد استفاده به عنوان پیوند 350 میلی متر و طول بلوک استیل کوچک به عنوان بارگذاریگیره 70 میلی متر بود. سه نمونه برای هر نسبت تهیه شد.

آزمایش کشش اتصالات دو لبه CFRP/فولاد بر روی دستگاه آزمایش کشش شبه استاتیک 300 کیلونیوتن با کنترل جابجایی برای بارگذاری با سرعت 0. 3 میلی‌متر در دقیقه انجام شد. دستگاه بارگذاری در شکل 10 نشان داده شده است. داده های تنش و کرنش توسط یک سیستم تست کرنش استاتیک جمع آوری شد.

3. نتایج و بحث

3. 1. تجزیه و تحلیل خواص مکانیکی چسب های اپوکسی اصلاح شده توسط SiO₂نانوذرات با گروه‌های فعال

3. 1. 1. خاصیت کششی

شکل 10 رابطه بین مقادیر SiO را نشان می دهد₂نانوذرات با گروه‌های فعال مختلف و خواص مکانیکی کششی چسب‌های اپوکسی. شکل 11a نشان می دهد که استحکام کششی چسب های اپوکسی توسط SiO اصلاح شده است.₂-0 نانوذرات، SiO₂-NH₂نانو ذرات و SiO₂-C₄H₈نانو ذراتبهبود استحکام کششی چسب های اپوکسی در همان کسر جرمی (0. 05٪) SiO بیشتر بود.₂-NH₂نانو ذرات، SiO₂-C₄H₈نانو ذرات و SiO₂-0 نانوذرات که به ترتیب 59. 04 مگاپاسکال، 59. 05 مگاپاسکال و 54. 45 مگاپاسکال بود. دو مورد قبلی در مقایسه با EP 47. 60% و 47. 63% بهبود یافتند و در مقایسه با SiO 8. 43% و 8. 45% بهبود یافتند.₂-0 نانوذراتمدول کشش چسب های اپوکسی اصلاح شده با SiO₂-NH₂نانو ذرات یا SiO₂-C₄H₈نانوذرات بیشتر از SiO بود₂-0 نانوذرات، همانطور که در شکل 11b نشان داده شده است. هنگامی که 0. 05٪ SiO₂-NH₂نانو ذرات یا SiO₂-C₄H₈نانوذرات به چسب‌های اپوکسی اضافه شدند، مدول کششی چسب‌های اپوکسی به ترتیب به حداکثر مقدار 6438 مگاپاسکال یا 6517 مگاپاسکال رسید که در مقایسه با EP، 43. 06% و 44. 81% بهبود یافت و 8. 20% و 8. 20% بهبود یافت. به ترتیب، در مقایسه با SiO₂-0 نانوذراتمنحنی‌های شکست ازدیاد طول (شکل 11c) مشابه آنهایی بودند که استحکام کششی نمونه‌ها را نشان می‌دهند، با روند افزایشی در مراحل اولیه و کاهش تدریجی در مراحل پایانی. ازدیاد طول در هنگام شکست چسب های اپوکسی اصلاح شده توسط SiO₂-NH₂نانو ذرات، SiO₂-C₄H₈نانو ذرات یا SiO₂نانوذرا ت-0 در همان کسر جرمی (0. 05 درصد) به اوج خود رسید که به ترتیب 2. 66، 2. 72 درصد یا 2. 49 درصد بود. دو مورد قبلی 53. 52% و 57. 31% در مقایسه با EP و 6. 83% و 9. 24% در مقایسه با SiO بالاتر بودند.₂-0 نانوذرات به ترتیب. با افزایش نانوذرات، ازدیاد طول در هنگام شکست SiO₂-C₄H₈بسیار کند کاهش یافت و بالای 2. 20 درصد باقی ماند. افزودن مقادیر کمی از نانوذرات می تواند خواص کششی چسب اپوکسی را تا حد زیادی بهبود بخشد. با افزایش نانوذرات، خواص کششی چسب اپوکسی ابتدا افزایش یافته و سپس کاهش می یابد. شایان ذکر است که استحکام کششی، مدول کششی و ازدیاد طول در هنگام شکست کامپوزیت ها در هنگام کسر جرمی SiO کمتر از EP بود.₂-0 به 0. 5 درصد افزایش یافت. افزودن بیش از حد SiO₂پراکندگی موثر نانوذرات در چسب اپوکسی دشوار بود و مستعد تجمع بود که منجر به تمرکز تنش و کاهش شدید خواص کششی کامپوزیت‌ها شد. خواص کششی چسب های اپوکسی اصلاح شده با SiO₂-C₄H₈نانو ذرات یا SiO₂-NH₂نانوذرات بیشتر از SiO بودند₂نانوذرا ت-0، نتیجه ای که نشان می دهد نانوذرات اصلاح شده توسط گروه های فعال سازگاری بهتری با چسب های اپوکسی نسبت به آن هایی که توسط گروه های غیر فعال اصلاح شده اند، دارند.

شکل 11d منحنی‌های تنش-کرنش آزمایش‌های کششی EP و سه نوع SiO را نشان می‌دهد.₂نانوذرات با جرم 0. 05 ٪. در مرحله اولیه بارگذاری ، نانوذرات از نزدیک به ماتریس رزین پیوند خورده بودند ، هیچ آسیبی در چسب های اپوکسی رخ نداد ، و فشار کرنش رابطه خطی را نشان داد. با افزایش استرس ، یکپارچگی چسب ها به تدریج از بین رفت ، افزایش کرنش بزرگتر و بزرگتر شد و شیب به تدریج کاهش یافت. از نمودار ، مشاهده می شود که استرس و شیب خرابی چسب های اپوکسی نانوذرات کلوئیدی به وضوح بالاتر از EP است. در همین حال ، SIO₂نانوذرات حاوی گروههای فعال تأثیر بهتری بر خواص کششی چسب اپوکسی نسبت به SIO داشتند₂نانوذرات حاوی گروههای غیرفعال. بنابراین ، sio₂نانوذرات اصلاح شده توسط NH₂و سی₄H₈گروه های فعال تفاوت کمی در بهبود خواص کششی چسب های اپوکسی و SIO داشتند₂-C₄H₈نانوذرات کمی بهتر از SIO بودند₂-NH₂نانوذرات در بهبود خواص کششی چسب های اپوکسی.

نمودار SEM نمونه کششی چسب اپوکسی خالص صاف بود و رشد ترک تک ، همانطور که در شکل 12a نشان داده شده است. شکل 12b-D نشان می دهد که مقطع چسب اپوکسی با کسری جرم از 0. 05 ٪ SIO₂نانوذرات بسیار درشت تر از EP بود و چین های آشکار وجود داشت. سطح مقطع در شکل 12b حاوی برخی از تجمع است ، که نشان می دهد سازگاری نانوذرات اصلاح شده توسط گروه های فعال با رزین اپوکسی بهتر از نانوذرات با گروه های غیرفعال بود. SIO₂نانوذرات موجود در بخش کلوئیدی در شکل 12c ، D به طور مساوی پراکنده شده اند ، با بخش های شکستگی نامنظم و بی نظم و تعداد زیادی ریزگردها ، که نمونه ای از مورفولوژی شکستگی انعطاف پذیر است. سطح مقطع شکل 12e نرم تر از شکل 12b-d بود ، با یک ناحیه بزرگ محدب شکل روی سطح ، و توسعه ترک تمایل به تک بود. دلیل این امر SIO است₂نانوذرات به طور مساوی در چسب اپوکسی پراکنده نشدند و تجمع رخ داد ، که باعث کاهش خواص مکانیکی کلوئیدی شد.

3. 1. 2. خواص خمشی

شکل 13 رابطه بین مقدار SIO را نشان می دهد₂نانوذرات با گروههای فعال مختلف و خصوصیات خمشی چسب اپوکسی. شکل 13a نشان می دهد که قدرت خمش چسب های اپوکسی اصلاح شده با SIO₂نانوذرات از EP بیشتر بود. استحکام خم شدن چسب های اپوکسی به اوج 79. 40 مگاپاسکال یا 86. 71 مگاپاسکال رسیده است که 0. 05 ٪ SIO₂-NH₂نانو ذرات یا SiO₂-C₄H₈نانوذرات به ترتیب به چسب های اپوکسی اضافه شدند. آنها در مقایسه با EP 48. 50 ٪ و 17 /62 ٪ بیشتر بودند و در مقایسه با SIO 10. 08 ٪ و 22/22 درصد بالاتر بودند₂-0 نانوذرات به ترتیب. مدول خمشی چسب های اپوکسی اصلاح شده توسط SIO₂-NH₂نانو ذرات یا SiO₂-C₄H₈نانوذرات نسبت به SIO برتر بود₂-0 نانوذرات همانطور که در شکل 13b نشان داده شده است. بهبود چسب های اپوکسی اصلاح شده توسط SIO₂-NH₂نانو ذرات، SiO₂-C₄H₈نانو ذرات و SiO₂-0 نانوذرات در همان بخش جرم (0. 05 ٪) به اوج اوج خود رسیدند که به ترتیب 4620. 97 MPa ، 5019. 86 MPa و 4262. 88 MPa بود. در مقایسه با EP ، این پیشرفت ها به ترتیب 23. 09 ٪ ، 33. 72 ٪ و 55 /13 ٪ بود.

به طور کلی ، افزودن مقدار کمی SIO₂نانوذرات می توانند خصوصیات خمش چسب اپوکسی را تا حد زیادی بهبود بخشند. خصوصیات خمش چسب های اپوکسی اصلاح شده توسط SIO₂نانوذرات با گروه های فعال بهتر از گروه های غیرفعال بودند. هنگامی که بخش جرم SIO₂-C₄H₈نانوذرات 0. 05 ٪ بود ، خاصیت خم شدن چسب اپوکسی به بهترین اثر خود رسید. هنگامی که بخش جرم SIO₂نانوذرات بیش از 0. 05 ٪ ، خصوصیات خمش چسب های اپوکسی اصلاح شده توسطسیو₂-NH₂نانوذرات سریعتر از SIO کاهش یافت₂-C₄H₈نانوذراتخواص خمشی کامپوزیت در هنگام بخش جرم SIO پایین تر از EP بود₂-NH₂نانوذرات 0. 50 ٪ بود ، که همچنین نشان می دهد که اثر توزیع C₄H₈گروه فعال در چسب اپوکسی بهتر از NH بود₂گروه فعال

3. 1. 3. عملکرد تأثیر

در لحظه تماس بین نمونه ضربه و آونگ ، آونگ بلافاصله نمونه را به دو بخش در امتداد V-notch برش داد ، همراه با چند قطعه از لکه دار شدن ، و ترک عمود به جهت بار گسترش می یابد. همانطور که در جدول 2 نشان داده شده است ، قدرت ضربه چسب اپوکسی اصلاح شده توسط SIO₂نانوذرات تحت بخشهای مختلف انبوه مورد بررسی قرار گرفت. وقتی 0. 02 ٪ SIO₂نانوذرات به چسب های اپوکسی اضافه شد ، قدرت ضربه چسب اپوکسی به طور قابل توجهی بهبود یافته است. با افزایش نانوذرات ، قدرت ضربه چسب های اپوکسی به طور پیوسته افزایش یافته و در هنگام بخش جرم SIO به اوج خود می رسید₂نانوذرات 0. 05 ٪ بود. چسب اپوکسی با 0. 05 ٪ SIO اصلاح شده است₂-C₄H₈نانوذرات بهترین تأثیر در بهبود استحکام ضربه (32. 76 کیلوژول در متر 2) ، که در مقایسه با EP (18. 31 کیلوژول بر متر 2) و 18/20 ٪ بیشتر در مقایسه با SIO بیشتر بود.₂-0 نانوذرات (27. 26 kJ/m 2). هنگامی که بخش جرم SIO₂نانوذرات 0. 10 ٪ ، خصوصیات ضربه سه نوع چسب اپوکسی اصلاح شده توسط SIO₂نانوذرات همه کاهش یافته است ، که ممکن است به دلیل مقادیر زیادی SIO باشد₂نانوذرات که به طور مؤثر در چسب اپوکسی پراکنده و مستعد تجمع دشوار بودند.

3. 1. 4. عمل برشی

شکل 14 منحنی های جابجایی بار نمونه های برشی اصلاح شده توسط 0. 05 ٪ SIO را نشان می دهد₂-C₄H₈نانوذرات ، 0. 05 ٪ SIO₂-NH₂نانوذرات ، 0. 05 ٪ SIO₂-0 نانوذرات ، و EP. همانطور که در شکل مشاهده می شود ، بار نمونه ها به سرعت افزایش یافت زیرا جابجایی در ابتدای آزمایش افزایش می یابد. هنگامی که مقدار بار به حدود 0. 3 کیلو نیوتن رسید ، افزایش بار با افزایش جابجایی به صفر رسید و منحنی مسطح تر شد. پس از آن ، افزایش بار به طور خطی با افزایش جابجایی ارتباط داشت و شیب کمی کمتر از ابتدای آزمایش بود. قدرت برشی چسب ها پس از اصلاح توسط نانوذرات ، و مقاومت برشی چسب های اپوکسی اصلاح شده توسط SIO بسیار بهبود یافته است₂-C₄H₈نانو ذرات یا SiO₂-NH₂نانوذرات 68. 86 ٪ (3. 52 کیلو نیوتن) یا 67. 93 ٪ (3. 50 کیلو نیوتن) در مقایسه با EP (2. 09 KN) و 12. 65 ٪ یا 2. 03 ٪ بالاتر در مقایسه با SIO بود.₂-0 نانوذرات (3. 13 KN) به ترتیب. خواص برشی چسب اپوکسی اصلاح شده توسط SIO₂نانوذرات با دو نوع گروه فعال اساساً یکسان بودند و هر دو بهتر از گروه های بدون گروه فعال بودند. با این حال ، قسمت مسطح تر منحنی برای c₄H₈گروه فعال به طور قابل توجهی طولانی تر از NH بود₂گروه فعال ، که ممکن است ناشی از لغزش نسبی بین نمونه برشی و گیره باشد.

3. 2تجزیه و تحلیل خواص پیوند چسب های اپوکسی اصلاح شده توسط SIO₂نانوذرات با گروه‌های فعال

3. 2. 1. رابطه بارگذاری

شکل 15 منحنی های بار-جابجایی نمونه های CFRP/فولاد دو لبه را در فرآیند کششی نشان می دهد. با افزایش جابجایی، افزایش بار سه نمونه افزایش یافت. استحکام برشی و شکل پذیری چسب های اپوکسی پس از افزودن SiO تا حدی بهبود یافت.₂نانو ذراتمشاهده می شود که افت ناگهانی منحنی ها برای SiO وجود دارد₂-0 نانوذرات و EP که به دلیل لغزش نسبی بین دستگاه بارگیری و نمونه در طول فرآیند بارگذاری بود. با ادامه افزایش جابجایی، نمونه دوباره بارگذاری شد. مقدار پیک بار نمونه اصلاح شده توسط SiO₂-C₄H₈نانو ذرات، SiO₂-NH₂نانو ذرات و SiO₂نانوذرا ت-0 57. 57 کیلو نیوتن، 55. 55 کیلو نیوتن، و 52. 09 کیلو نیوتن بود که به ترتیب 41. 24، 36. 29 و 27. 80 درصد بیشتر از EP (40. 76 کیلو نیوتن) بود. خواص پیوند چسب های اپوکسی اصلاح شده توسط SiO₂نانوذرات با دو نوع گروه فعال بهتر از نانوذرات بدون گروه فعال و SiO بودند₂نانوذرات اصلاح شده توسط C₄H₈گروه فعال بهترین بهبود را نشان داد.

3. 2. 2. توزیع کرنش سطحی صفحه CFRP

توزیع کرنش بر روی سطح CFRP در شکل 16 نشان داده شده است. تحت بار نهایی، یک گرادیان تنش قابل توجهی از اتصالات دو لبه متصل شده توسط EP در نزدیکی انتهای آزاد صفحه فولادی ایجاد می شود. کرنش EP در 5 میلی متر از انتهای آزاد صفحه فولادی 1339 με بود. کرنش در 15 میلی متر از انتهای آزاد صفحه فولادی به 740 με کاهش یافت و 44. 73٪ کاهش یافت. و کرنش در 25 میلی متر از انتهای آزاد صفحه فولادی 572 με بود که 57. 28٪ کاهش یافت. هنگامی که SiO₂نانوذرا ت-0 با کسر جرمی 0. 05٪ به چسب های اپوکسی اضافه شد، کرنش در 5 میلی متر از انتهای آزاد صفحه فولادی 2750 με بود. کرنش در 15 میلی متر از انتهای آزاد صفحه فولادی 2001 με بود که 27. 24٪ کاهش یافت. و کرنش در 25 میلی متر از انتهای آزاد صفحه فولادی 1863 με بود که 32. 25٪ کاهش یافت. هنگامی که SiO₂-NH₂نانوذرات با کسر جرمی 0. 05٪ به چسب های اپوکسی اضافه شدند، کرنش در 5 میلی متر از انتهای آزاد صفحه فولادی 3113 με بود. کرنش در 15 میلی متر از انتهای آزاد صفحه فولادی 2617 με بود که 15. 93٪ کاهش یافت. و کرنش در 25 میلی متر از انتهای آزاد صفحه فولادی 2246 με بود که 27. 85٪ کاهش یافت. به طور مشابه، کرنش در 5 میلی متر از انتهای آزاد صفحه فولادی چسب های اپوکسی با 0. 05٪ SiO اصلاح شد.₂-C₄H₈نانوذرات 3230 με بود. کرنش در 15 میلی متر از انتهای آزاد صفحه فولادی 2519 με بود که 22. 01٪ کاهش یافت. شایان ذکر است که حداکثر کرنش در 25 میلی متر از انتهای آزاد ورق فولادی 3002 με بود که به طور قابل توجهی بیشتر از حداکثر کرنش در 15 میلی متر بود و در مقایسه با 5 میلی متر از انتهای آزاد 7. 06 درصد کاهش داشت. صفحه فولادینتایج نشان داد که SiO₂نانوذرات می‌توانند خواص پیوند چسب‌های اپوکسی را بهبود بخشند، محدوده کرنش و گرادیان کرنش سطح CFRP را افزایش دهند و ظرفیت باربری نهایی اتصالات دو لبه را بهبود بخشند. اثر SiO₂-C₄H₈نانو ذرات و SiO₂-NH₂نانوذرات منجر به بهبود موثرتری نسبت به SiO شدند₂-0 نانوذراتصدای پارگی مشاهده شد که در طی فرآیند بارگذاری نمونه با لایه برداری بخش کوچکی از رابط منتشر شد. جداسازی صفحه CFRP و صفحه فولادی با افزایش بار اتفاق افتاد. یک سیگنال هشدار قبل از شکست نمونه ظاهر شد که مشخصه شکست شکل پذیر بود.

4. نتیجه گیری

در این مقاله چسب های اپوکسی اصلاح شده توسط گروه های فعال مختلف SIO پیشنهاد شده است₂نانوذراتبا معرفی SIO₂-0 ، سیو₂-NH₂، و سیو₂-C₄H₈نانوذرات به چسب اپوکسی در بخش جرم 0. 05 ٪ ، بهبود خواص مکانیکی به حداکثر خود رسیده است. هنگامی که برای اصلاح چسب های اپوکسی اضافه شد ، SIO₂-C₄H₈نانوذرات مهمترین پیشرفت در خصوصیات مکانیکی را نشان دادند ، در حالی که SIO₂-0 نانوذرات کمترین پیشرفت را نشان دادند. هنگامی که بخش جرم SIO₂-C₄H₈نانوذرات 0. 05 ٪ ، استحکام کششی ، مدول کششی ، کشیدگی در هنگام استراحت ، استحکام خمش ، مدول خمشی و استحکام ضربه 47. 63 ٪ (59. 05 MPa) ، 44. 81 ٪ (6517 MPa) ، 57. 31 ٪ (2. 72 ٪) ، 62. 17 ٪ ((86. 71 MPa) ، 33. 72 ٪ (5019. 86 MPa) ، 78. 89 ٪ (32. 76 kJ/m 2) و 68. 86 ٪ (3. 52 kn) بالاتر از EP. سیو₂نانوذرات قادر به بهبود نه تنها خصوصیات مکانیکی چسب اپوکسی بودند ، بلکه فشار روی سطوح CFRP ، اوج تنش برشی رابط و دامنه انتقال نیز داشتند. به طور کلی ، خصوصیات مکانیکی و خصوصیات پیوند چسب های اپوکسی که با افزودن گروه های فعال اصلاح شده با اضافه کردن گروه های غیرفعال ، و اثر اصلاح C نسبت به موارد اصلاح شده برتر بودند₄H₈گروه های فعال در مقایسه با NH بهتر بودند₂گروه های فعال

آزمایشات نشان می دهد که گروه های فعال می توانند به طور قابل توجهی اثر اصلاح نانوذرات را بهبود بخشند ، و گروه های فعال می توانند به یک جهت معنی دار از تحقیقات نانوذرات برای کاربردهای مهندسی عملی تبدیل شوند. خصوصیات SIO₂-NH₂و sio₂-C₄H₈(FTIR ، XRF و غیره) در مطالعه پیگیری بیشتر مورد مطالعه قرار گرفت.

کمک های نویسنده

مفهوم سازی ، J. L. و Y. L. ؛روش شناسی ، Y. L. ؛اعتبار سنجی ، C. L. و Y. L. ؛تجزیه و تحلیل رسمی ، C. L. و J. L. ؛تحقیقات ، J. L. ؛منابع ، J. L. و Y. L. ؛CURATION DATA ، J. L. ؛نوشتن - پیش نویس آماده سازی ، J. L. ؛نوشتن - بررسی و ویرایش ، J. L. ؛نظارت ، C. L. ؛مدیریت پروژه ، C. L. ؛کسب بودجه ، C. L. همه نویسندگان نسخه منتشر شده نسخه خطی را خوانده و موافقت کرده اند.

منابع مالی

این تحقیق توسط بنیاد ملی علوم طبیعی چین (52078059 ، 51778069) و بنیاد علوم طبیعی استان هونان (2021JJ40173) تأمین شد.