هدف این مطالعه، بررسی خواص مکانیکی اتصالات چسب اپوکسی پر شده با نانوکلی تحت بارگذاری‌های استاتیکی (کششی) و دینامیکی (ضربه‌ای) می باشد. محتویات نانوکلی شامل 1، 3 و 5 درصد وزنی از رزین اپوکسی (Araldite  LY5052) هستند. ذرات نانوکلی با استفاده از دستگاه همزن در رزین اپوکسی پراکنده شدند و سپس مخلوط رزین و ذرات خاک رس تحت سونیکاسیون با استفاده از اولتراسونیکاتور قرار گرفت. سطح‌های کامپوزیت شیشه/رزین اپوکسی ساخته شدند و برای مطالعه رفتار اتصالات چسب اپوکسی استفاده شدند. سطح‌های چسبنده کامپوزیت طبق استاندارد ASTM D2093 آماده شدند. طبق استانداردASTM D3165 ، خواص چسب اپوکسی تقویت شده در برش با بارگذاری کششی نمونه‌های اتصالات تک لایه به دست آمد. همچنین، اتصالات تحت آزمایش‌های ضربه‌ای شارپی در راستای صفحه و برون صفحه قرار گرفتند. نتایج نشان دادند که اتصالات چسبی با 1 درصد ذرات نانوکلی بیشترین استحکام را در بارگذاری کششی داشتند و بالاترین مقادیر انرژی ضربه‌ای شارپی برای اتصالاتی که با چسب‌های پر شده با 3 درصد نانوکلی پر شده بودند، مشاهده شد

• مقدمه

تعداد کاربردهای چسب‌ ها در اتصال اجزای سازه‌ای به طور سریع در حال افزایش است، به ویژه در کاربردهای هوافضا و بسته‌بندی میکروالکترونیکی که نیاز به یکپارچگی اتصال در برابر طیف وسیعی از بارها و دماها دارند. ویژگی‌هایی که اتصال چسبی را جذاب می‌کنند شامل بهبود ظاهر، آب‌بندی خوب، نسبت استحکام به وزن بالا، تمرکز کم تنش، هزینه پایین و مقاومت در برابر خوردگی و خستگی… هستند.

 توسعه سریع چسب‌های ساختاری منجر به استفاده گسترده از تکنیک اتصال چسبی در صنایع دفاعی، هوافضا، حمل و نقل ریلی و زمینی شده است. در این کاربردها، اتصالات برای تحمل بارهای درون صفحه طراحی می‌شوند، اگرچه آن‌ها همچنین در برابر بارگذاری‌های عرضی ناشی از تصادفات، گلوله‌ها، برخورد ابزار، برخورد پرندگان نیز مقاوم هستند. استفاده از اتصالات چسبی در ساختارها، به ویژه در کاربردهای هوافضا و نظامی، اهمیت درک مکانیزم‌های خرابی آن‌ها تحت بارهای عرضی و درون‌صفحه‌ای را ضروری می‌کند.

ارزیابی حرارتی ساختار چسبی توسط نویسندگان مختلف انجام شده است. مواد گرافیتی توسط چسب‌ها اتصال یافته و در دماهایی از 200 تا 1500 درجه سانتی‌گراد تحت حرارت قرار گرفتند. چندین چسب دمای بالا (HTA)  نیز تهیه و مورد آزنایش قرار گرفت از جمله: فنول‌فرمالدهید (PF) خالص، رزین فنول‌فرمالدهید (PF) با بورکربید (PF + B4C) و رزین PF با B4C و سیلیکای دودی . (PF + B4C + SiO2) نتایج نشان داد که چسب PF تقویت‌شده با ذرات B4C و نانوذرات SiO2 دارای خواص دمای بالا برجسته‌ای برای اتصال گرافیت بود. ساختار چسب حتی پس از حرارت‌دهی اتصالات گرافیتی در دمای 1500 درجه سانتی‌گراد، متراکم و یکنواخت باقی ماند، با استحکام پیوند 17.1 مگاپاسکال. افزودن افزودنی ثانویه، یعنی سیلیکای دود، به طور قابل توجهی عملکرد پیوند را بهبود بخشید. فاز بوروسیلیکاتی با پایداری بهتر در طول فرآیند حرارت‌دهی شکل گرفت و انقباض حجمی به طور مؤثری محدود شد که مسئول عملکرد خوب پیوند دمای بالا در گرافیت بود.

اتصالات چسبی تک لایه تحت بارهای درون‌صفحه‌ای و برون‌صفحه‌ای قرار گرفتند. پاسخ اتصال به بار ضربه‌ای عمودی عرضی با استفاده از نرم‌افزار المان محدود  LS-DYNA 3 D مورد بررسی قرار گرفت. مشخص شد که بار عمودی عرضی باعث تمرکز بیشتر تنش پوسته‌ای در لایه چسب می‌شود، نسبت به بارگذاری درون‌صفحه‌ای. آزمایش‌هایی با سرعت پایین ضربه (LVI) برای تأیید نتایج مدل المان محدود بر روی اتصالات چسبی انجام شد. نتایج نشان داد که افزودن نانوکلی موجب افزایش مدول یانگ چسب به میزان 20% شده، در حالی که کشش شکست نهایی را به میزان 33% کاهش داد. با این حال، هیچ تفاوت معنی‌داری در انرژی شکست برای اتصالی که با اپوکسی خالص ساخته شده و آن که با اپوکسی تقویت‌شده با نانوکلی ساخته شده بود، مشاهده نشد.

خواص مکانیکی نانومواد کامپوزیتی و پلیمرهای تقویت‌شده با الیاف کربن (CFRP) که حاوی ذرات نانوکلی در ماتریس اپوکسی بودند، مورد بررسی قرار گرفت. ذرات نانوکلی بهبود قابل توجهی در مدول خمشی ایجاد کردند، به ویژه در چند درصد وزنی اول، و این بهبود در مدول خمشی به هزینه کاهش استحکام خمشی بود.

آزمایشات

• چسب و فرآیند سونیکیشن

ذرات نانوکلی (Clay Products Inc. (USA) Cloisite® 30B Nanoclay)  به عنوان تقویت‌کننده نانو برای این مطالعه استفاده شدند. نانوکلی‌های Cloisite® افزودنی‌هایی با نسبت ابعادی بالا هستند که بر اساس خاک رس مونت‌موریلونیت طراحی و ساخته شده‌اند و برای صنعت پلاستیک به کار می‌روند. مزایای فناوری Cloisite®  از سطح بالای خاک رس مونت‌موریلونیت و نسبت ابعادی بالای آن به دست می‌آید. ذرات نانوکلی از صفحه‌های خاک رس تشکیل شده‌اند که به هم فشرده شده‌اند. ضخامت و نسبت ابعادی صفحه‌های خاک رس به ترتیب حدود 1 نانومتر و 100 است. اندازه ذرات، چگالی حجمی و محتوای رطوبت ذرات نانوکلی به ترتیب 2 میکرومتر، 0.2283 گرم بر سانتی‌متر مکعب و کمتر از 2% بودند.

ذرات نانوکلی مورد استفاده در این مطالعه، خاک رس مونت‌موریلونیت طبیعی بودند که با نمک آمونیوم چهارم اصلاح شده‌اند. از آنجا که خاک رس مونت‌موریلونیت هیدروفیلیک است، به طور ذاتی با بیشتر پلیمرها سازگار نیست و باید از نظر شیمیایی اصلاح شود تا سطح آن بیشتر آب‌گریز گردد. رایج‌ترین روش اصلاح سطح، استفاده از کاتیون‌های آمونیومی است که می‌توانند جایگزین کاتیون‌های موجود روی سطح خاک رس شوند. این اصلاح سطح به خاک رس کمک می‌کند تا نیروهای جذاب بین صفحه‌های فشرده شده را به حداقل برساند.

نانومواد، مانند اکسیدهای فلزی، ذرات نانوکلی یا نانولوله‌های کربنی، تمایل دارند که هنگام مخلوط شدن در مایعات، تجمع یابند. پراکندگی یکنواخت ذرات نانوکلی در ماتریس پلیمری بدون تجمع و درهم‌تنیدگی همچنان بزرگترین مشکل در تهیه کامپوزیت‌های پلیمری-نانوکلی است. تحقیقات در مورد پراکندگی نانوذرات با محتوای جامد متغیر نشان داده است که استفاده از اولتراسونیک نسبت به سایر تکنولوژی‌ها مانند میکسرهای روتور-استاتور، هموژنایزرهای پیستونی یا روش‌های آسیاب مرطوب مزایای قابل توجهی دارد. سیستم‌های اولتراسونیک  Hielscher  می‌توانند در غلظت‌های جامد نسبتاً بالا استفاده شوند.

پراکندگی و تجزیه تجمعات با استفاده از سونیکاتور نتیجه کَویتاسیون اولتراسونیک است. هنگامی که یک موج اولتراسونیک از طریق یک محیط مایع عبور می‌کند، تعداد زیادی میکروبابل تشکیل شده، رشد کرده و در مدت زمان بسیار کوتاهی (حدود چند میکروثانیه) فرو می‌ریزند؛ این اثر کَویتاسیون اولتراسونیک نامیده می‌شود. هنگامی که مایعات در معرض اولتراسونیک قرار می‌گیرند، امواج صوتی که به داخل مایع انتشار می‌یابند، باعث ایجاد دوره‌های فشار بالا و پایین به طور متناوب می‌شوند. محاسبات نظری سونو و آزمایش‌های مربوطه نشان می‌دهند که کَویتاسیون اولتراسونیک می‌تواند دماهای محلی تا 4500 درجه سانتی‌گراد و فشارهای محلی تا 50 مگاپاسکال ایجاد کند، با نرخ‌های گرمایش و خنک‌سازی بالا و به این ترتیب یک محیط بسیار سخت ایجاد می‌شود. این شرایط، فشار مکانیکی به ذرات وارد می‌کند. کَویتاسیون اولتراسونیک در مایعات باعث ایجاد جت‌های مایع با سرعت بالا تا 1000 کیلومتر در ساعت می‌شود. این جت‌ها مایع را تحت فشار بالا بین ذرات فشار داده و آن‌ها را از یکدیگر جدا می‌کنند. ذرات کوچکتر با جت‌های مایع تسریع می‌شوند و با سرعت‌های بالا به یکدیگر برخورد می‌کنند. این امر باعث می‌شود که اولتراسونیک یک روش مؤثر نه تنها برای پراکندگی، بلکه برای آسیاب کردن ذرات در اندازه‌های میکرومتری و زیر میکرومتری باشد. بنابراین، اولتراسونیک به طور گسترده‌ای برای پراکندگی نانوذرات در پلیمرها استفاده می‌شود. با استفاده از اولتراسونیک، تجمعات و درهم‌تنیدگی‌های ذرات نانوکلی با این روش شکسته می‌شوند. باید توجه داشت که ورودی انرژی برای پراکندگی ذرات نانوکلی تمایل دارد آن‌ها را به بخش‌های کوتاه‌تری تقسیم کند که نسبت ابعادی آن‌ها را در کامپوزیت نهایی کاهش می‌دهد، در حالی که در عین حال پراکندگی آن‌ها را افزایش می‌دهد.

عملکرد برشی در طول مخلوط کردن این ذرات در اپوکسی باعث لایه‌زدایی یا جداسازی صفحه‌هایی می‌شود که هر ذره را تشکیل می‌دهند، که مسئول کاهش اندازه ذرات به مقیاس نانومتر است. رزین اپوکسی و سخت‌کننده انتخابی برای این مطالعه، به ترتیب Araldite LY 5052 و Aradur 5052 HUNSTMAN Inc.از شرکت باسل سوئیس بودند. طبق گفته سازنده، ترکیب رزین و سخت‌کننده منجر به یک چسب شکننده می‌شود. خواص چسب اپوکسی عبارتند از: استحکام کششی نهایی: 49-71 مگاپاسکال، مدول کششی: 3.5–3.3 گیگاپاسکال، استحکام برشی بین لایه‌ای (کییور شده با 60% الیاف شیشه ی): 61–57 مگاپاسکال، شکنندگی: 0.77مگاپاسکال متر√ و کشش در نقطه شکست: 2.5–1.5%..

نمونه‌های کامپوزیت نانوکلی/اپوکسی با استفاده از یک فرآیند مخلوط کردن مکانیکی با محتوای ذرات نانوکلی 1، 3 و 5 درصد وزنی ساخته شدند. محتوای نانوکلی برای دستیابی به حداکثر استحکام مکانیکی چسب انتخاب شد. ذرات نانوکلی در رزین اپوکسی پراکنده شدند. مخلوط برای مدت 15 دقیقه با دست هم زده شد تا رزین اپوکسی و ذرات نانوکلی در دمای اتاق به خوبی مخلوط شوند. سونیکیشن اولتراسونیک برای پراکندگی بیشتر ذرات نانوکلی در رزین اپوکسی استفاده شد. زمان سونیکیشن برای تمامی نمونه‌ها 25 دقیقه تنظیم شد تا بهترین عملکرد مکانیکی حاصل شود. سپس سخت‌کننده به مخلوط‌های سونیکه شده در نسبت 1:10از نظر وزنی اضافه شد.

نتایج و بحث

• استحکام برشی لایه‌ای

اتصالات چسبی که با لایه‌های کامپوزیت اپوکسی/نانوکلی تهیه شده بودند، برای آزمایش استحکام برشی لایه‌ای (LSS) در کشش تست شدند. اتصالات تهیه شده با مقادیر مختلف ذرات نانوکلی برای ایجاد یک مقایسه آزمایش شدند. استحکام چسب به طور عمده به دو پارامتر بستگی دارد:

(الف) خواص مکانیکی رزین اپوکسی و ذرات نانوکلی و

(ب) رفتار ویسکوالاستیک رزین و خواص چسبندگی.

در مطالعات قبلی روی اتصالات چسبی با اپوکسی [5] مشاهده شد که با افزایش محتوای ذرات نانوکلی، خواص مکانیکی افزایش یافت، اما رفتار ویسکوالاستیک آن‌ها از حالت مایع مانند به حالت جامد مانند تغییر کرد. بنابراین، احتمالاً اپوکسی حاوی درصد وزنی بالای ذرات نانوکلی دارای خواص چسبندگی خوبی نخواهد بود. نتایج اندازه‌گیری‌های LSS در کشش روی اتصالات چسبی تهیه شده با اپوکسی حاوی مقادیر مختلف ذرات نانوکلی با استفاده از نمودارهای بار-جابجایی به دست آمد و سپس به نمودار تنش برشی–کرنش برشی (%) تبدیل شد. تنش برشی از بار اعمال شده روی سطح اتصال‌دهنده تقسیم بر مساحت چسب به‌دست آمد و کرنش برشی اتصال از جابجایی اتصال تقسیم بر طول همپوشانی به‌دست آمد. انحراف معیارهای نتایج نشان داده شده بین 0.16 تا 0.06 مگاپاسکال متغیر است. مشاهده شد که LSS با افزودن ذرات نانوکلی افزایش یافت، اما بالای 1% ذرات نانوکلی، LSS  کاهش یافت. مقادیر LSS برای اپوکسی خالص و اپوکسی تقویت‌شده با 1، 3 و 5 درصد وزنی ذرات نانوکلی به ترتیب 7.26، 7.77، 6.49 و 5.92 مگاپاسکال استLSS.  با افزودن 1 درصد وزنی ذرات نانوکلی به رزین اپوکسی حدود 7% افزایش یافت. می‌توان نتیجه گرفت که بالاترین سختی اتصال (557 مگاپاسکال) در مورد اتصال با اپوکسی حاوی 1 درصد وزنی ذرات نانوکلی به‌دست آمد. این میزان نسبت به اپوکسی خالص 28% افزایش یافت. اتصالی که با اپوکسی خالص ساخته شده بود، کمترین استحکام را داشت.

نتیجه گیری

در این مقاله، یک مطالعه تجربی برای بررسی رفتار اتصالات چسبی با استفاده از چسب تقویت‌شده با ذرات نانوکلی تحت بارهای کششی استاتیکی و ضربه‌ای انجام شد. مقادیر مختلف ذرات، شامل 1، 3 و 5 درصد وزنی ذرات نانوکلی، به چسب در اتصالات تک‌لایه اضافه شد و خواص مکانیکی آن‌ها مطالعه شد. نتایج تجربی زیر به‌دست آمد:

• استحکام برشی لایه‌ای با افزودن ذرات نانوکلی تا 1 درصد وزنی افزایش یافت و پس از آن LSS کاهش یافت.
• سختی اتصال با افزودن ذرات نانوکلی به چسب اپوکسی افزایش یافت. بیشترین سختی اتصال برای اتصال با چسب اپوکسی حاوی 1 درصد وزنی نانوکلی به‌دست آمد.
• کرنش در نقطه شکست با افزایش محتوای ذرات نانوکلی در چسب اپوکسی کاهش یافت که به دلیل طبیعت شکننده ذرات نانوکلی است.
• جذب انرژی برای نمونه‌های حاوی 1 درصد وزنی ذرات نانوکلی بیشتر از نمونه چسب اپوکسی خالص بود. افزودن ذرات نانوکلی به چسب باعث افزایش جذب انرژی و در نتیجه افزایش سختی اتصال شد.
• بالاترین مقادیر انرژی ضربه‌ای چارپی برای اتصالات با چسب‌های حاوی 3 درصد نانوکلی برای هر دو بارگذاری ضربه‌ای در صفحه و خارج از صفحه به‌دست آمد. اثر ذرات نانوکلی در بارگذاری ضربه‌ای خارج از صفحه بیشتر از بارگذاری ضربه‌ای در صفحه است.

مشاهده محصولات چسب اپوکسی