Влияние различного содержания газообразного диоксида кремния на прочность эпоксидного клея при растяжении 

В современной науке о полимерных материалах эпоксидные клеи благодаря своим превосходным адгезионным свойствам, хорошей термостойкости и химической стабильности широко применяются в аэрокосмической отрасли, электронной упаковке, автомобильной промышленности и строительных конструкциях. Однако системы на основе чистой эпоксидной смолы имеют недостаточную прочность на удлинение и высокие внутренние напряжения, что ограничивает их дальнейшее применение в высокопроизводительных областях. Для улучшения этих свойств исследователи часто добавляют функциональные наполнители для оптимизации механических характеристик клея. Среди них газофазный диоксид кремния (fumed silica), как наноразмерный неорганический наполнитель, благодаря своей большой удельной площади поверхности, хорошей диспергируемости и поверхностной активности становится важным модифицирующим материалом для повышения комплексных свойств эпоксидного клея.

Технические специалисты АО Хубэй Хуэйфу Наноматериалы на основе данных о влиянии на прочность на разрыв эпоксидного клея при различном содержании газаформного диоксида кремния HB-139 и гидрофобного конкурента провели систематический анализ закономерностей его действия и изучили механизм усиления, с целью предоставления теоретической основы и практических рекомендаций для разработки высокоэффективных рецептур клеев.

Рисунок 1

Как показано на рисунке 1, наблюдается производительность HB-139: при добавлении 0% прочность клея на растяжение составляет всего 15 МПа; при увеличении добавки до 1% прочность на растяжение повышается до 23,9 МПа; при дальнейшем увеличении до 2% достигается 32,1 МПа; при 3% достигается пик 44,2 МПа, что почти вдвое превышает прочность основы. Затем, при увеличении добавки до 4% прочность снижается до 33,2 МПа; при 5% снижается дальше до 25,9 МПа. В целом наблюдается типичная параболическая тенденция «сначала рост, потом падение», что указывает на существование оптимальной пропорции добавки.

Рисунок 2

Как показано на рисунке 2, для сравнения, поведение гидрофобного конкурента выглядит иначе. При количестве добавки 0% прочность на растяжение также составляет 15 МПа; при 1% она увеличивается до 23,2 МПа; при 2% достигает максимального значения 37,0 МПа; затем при увеличении добавки прочность колеблется незначительно, при 3% она снижается до 28,1 МПа, при 4% снова поднимается до 31,0 МПа, а при 5% стабилизируется на уровне 33,1 МПа. Несмотря на то, что его максимальная прочность ниже, чем у HB-139 (44,2 МПа), общая кривая более плавная, что демонстрирует высокую способность противодействовать перенасыщению наполнителя. Влияние газофазного диоксида кремния на прочность клея на растяжение в основном зависит от его дисперсного состояния в матрице, прочности интерфейсного соединения и сформированной трехмерной сеточной структуры. Гидрофобный газофазный диоксид кремния после поверхностной модификации имеет замененные органическими группами кремний-гидроксильные группы, что снижает поверхностную энергию и улучшает совместимость с органическими смолами; кроме того, газофазный диоксид кремния в клее может формировать трехмерную сетчатую структуру за счет ван-дер-ваальсовых сил или водородных связей, которая эффективно ограничивает движение молекулярных цепей смолы, повышая ее прочность. Однако, поскольку нанонаполнитель склонен к агрегации из-за высокой удельной поверхности, особенно при высокой добавке, его прочность на растяжение постепенно снижается, что соответствует общему правилу: умеренное добавление значительно улучшает свойства, в то время как чрезмерное приводит к обратному эффекту.

В целом, газообразный диоксид кремния, как важная функциональная добавка, может значительно повышать прочность эпоксидного клея на растяжение. HB-139 демонстрирует оптимальные свойства при добавлении в количестве 3%, достигая прочности 44,2 МПа, что отражает его превосходные укрепляющие способности; в то время как гидрофобные конкуренты показывают хорошую стабилизацию дисперсии и устойчивость к перегрузкам, что делает их подходящими для применения с высоким содержанием наполнителя. Выбор между двумя материалами должен основываться на конкретных сценариях применения: для тех, кто стремится к максимальной прочности, рекомендуется использовать HB-139 с точным контролем дозировки, а для тех, кто ценит стабильность обработки и долговременные свойства, предпочтительнее могут быть гидрофобные конкуренты. Будущие исследования могут далее изучать влияние различных методов обработки поверхности, составных систем наполнителей и динамических механических свойств на характеристики клея, чтобы способствовать развитию высокоэффективных клеевых составов для более широкого спектра применения.