количество добавки осажденного диоксида кремния Влияние на механические свойства эпоксидных клеев 

Как видно из рисунка 1, с увеличением количества добавленного осажденного диоксида кремния две ключевые механические характеристики эпоксидных клеев — средняя прочность на разрыв (Rm) и средняя прочность на растяжение (Ts) — демонстрируют нелинейную зависимость, и характер их изменения существенно различается.

(а) Динамика средней прочности на разрыв (Rm)

Средняя прочность на разрыв отражает способность материала сопротивляться разрушению, вызванному локальной концентрацией напряжений, и является важным показателем для измерения ударной вязкости и сопротивления распространению трещин в клеях. Данные показывают:

При добавлении 0% пирогенного диоксида кремния сопротивление Rm составляет 21,7 МПа;

После добавления 2% значение Rm увеличилось до 22,9 МПа, что составляет примерно 5,5% прироста;

Концентрацию дополнительно увеличили до 5%, а значение Rm достигло пика в 23,7 МПа, что на 7,4% выше, чем у контрольного образца.

Впоследствии, по мере увеличения содержания, значение Rm демонстрировало тенденцию к снижению: оно составляло 22,6 МПа при 6%, резко упало до 21,3 МПа при 7% и незначительно восстановилось до 22,2 МПа при 8%.

Эта тенденция указывает на то, что соответствующее количество осажденного диоксида кремния может эффективно повысить сопротивление разрыву эпоксидных смол, но чрезмерное добавление ослабляет это свойство. Это происходит потому, что при низких уровнях добавления наночастицы SiO₂ равномерно диспергированы в эпоксидной смоле, образуя трехмерную сетевую структуру. Одновременно их поверхностные гидроксильные группы могут частично химически связываться с эпоксидными группами, улучшая межфазное сцепление и, таким образом, повышая прочность. Однако, когда добавление превышает критическое значение (приблизительно 5%), агломерация частиц усиливается, что в конечном итоге снижает общую прочность на разрыв.

(II) Тенденция изменения средней прочности на растяжение (Ts)

Средняя прочность на растяжение отражает несущую способность материала при осевой нагрузке и напрямую связана с общей жесткостью и сопротивлением деформации клеевого слоя. Данные представлены следующим образом:

Без примеси Ts составляет 15,6 МПа;

После добавления 2% осажденного диоксида кремния температура стеклования подскочила до 27,2 МПа, увеличившись на 74,4%.

Уровень остается высоким (23,7 МПа) и составляет 5%, и хотя он несколько снизился, все еще значительно выше первоначального значения;

Затем оно постепенно снижалось, упав до 18,6 МПа при 8%, что лишь немного выше начального значения.

Очевидно, что прочность на растяжение более чувствительна к изменениям содержания осажденного диоксида кремния, демонстрируя четкую точку перегиба «сначала увеличение, затем уменьшение». Это указывает на то, что небольшое количество наполнителя может значительно повысить жесткость и несущую способность эпоксидной смолы. Однако, когда содержание наполнителя слишком велико, неравномерное распределение и сильная агломерация не только снижают эффективный упрочняющий эффект, но и могут приводить к образованию микропор или пустот, что вызывает неравномерное распределение внутренних напряжений и, в конечном итоге, приводит к снижению прочности на растяжение.

С макроскопической точки зрения, добавление осажденного диоксида кремния изменяет трехфазную структуру эпоксидной системы: непрерывную фазу (эпоксидную смолу), дисперсную фазу ( частицы SiO₂ ) и межфазную фазу (граница раздела наполнитель-смола). В идеале для достижения наилучших общих характеристик необходимо обеспечить «равномерное распределение + прочное межфазное сцепление + соответствующее заполнение». Результаты этого эксперимента показывают, что 5% является оптимальным количеством добавки, обеспечивающим как высокую прочность на разрыв, так и относительно идеальную прочность на растяжение, что представляет собой ключевой диапазон для достижения «баланса прочности и ударной вязкости».

Дисперсный диоксид кремния, как высокоэффективный наноармирующий наполнитель, демонстрирует широкие перспективы применения в улучшении характеристик эпоксидных клеев. Систематическое исследование системы HB-139 позволило нам не только выяснить ее влияние на среднюю прочность на разрыв и среднюю прочность на растяжение, но и выявить внутренний механизм корреляции между содержанием наполнителя и его характеристиками. Экспериментальные данные четко показывают, что существует «оптимальное соотношение добавок» — приблизительно 5% — в пределах которого клей может достичь оптимального баланса между прочностью и ударной вязкостью.