RU2500706C1 - Method of dispersing nanoparticles in epoxide resin - Google Patents
Method of dispersing nanoparticles in epoxide resin Download PDFInfo
- Publication number
- RU2500706C1 RU2500706C1 RU2012114992/05A RU2012114992A RU2500706C1 RU 2500706 C1 RU2500706 C1 RU 2500706C1 RU 2012114992/05 A RU2012114992/05 A RU 2012114992/05A RU 2012114992 A RU2012114992 A RU 2012114992A RU 2500706 C1 RU2500706 C1 RU 2500706C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- mixture
- dispersion
- adhesive
- nanoparticles
- strength
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области нанотехнологии и является применимым в различных отраслях машиностроения, транспорта, строительства, энергетики для повышения прочности и ресурса конструкций из металлических, композиционных полимерных и металлополимерных материалов, для клеевых и клеемеханических соединений различных элементов конструкций, а так же композиций, упрочняющих зоны концентрации напряжений (в виде отверстий, вырезов, галтелей, перепадов толщин) в конструкциях, для залечивания дефектов, микротрещин и других повреждений, возникающих при изготовлении и в процессе эксплуатации конструкций, для устранения и герметизации зазоров в отверстиях и стыках болтовых и заклепочных соединений.The invention relates to the field of nanotechnology and is applicable in various industries of engineering, transport, construction, energy to increase the strength and resource of structures made of metal, composite polymer and metal polymer materials, for adhesive and adhesive mechanical joints of various structural elements, as well as compositions that strengthen the concentration zone stresses (in the form of holes, cutouts, fillets, thickness differences) in structures for healing defects, microcracks and other damages, during arising, during manufacture and during use designs to eliminate gaps and sealing joints in the holes and bolted and riveted joints.
Наиболее эффективным, с точки зрения значительного повышения прочности и ресурса конструкций при малых материальных и денежных затратах, является использование наномодифицированных эпоксидных клеевых композиций в указанных выше применениях.The most effective, from the point of view of a significant increase in the strength and resource of structures at low material and financial costs, is the use of nanomodified epoxy adhesive compositions in the above applications.
Известен способ диспергирования упрочнителя в синтетической смоле, в котором частицы упрочнителя и смолу помещают в сосуд и перемешивают их с помощью установленного в сосуде лопастно-шнекового механизма (Патент США №4049244, 20 сентября 1977 г., класс 259/185). Недостатком известного способа в случае его применения для диспергирования наночастиц, в смеси их со смолой является неравномерность распределения наночастиц в смоле, которая может быть связана с недостаточно интенсивным механическим перемешиванием наночастиц со смолой, а так же с наличием зазоров между рабочими поверхностями лопастно-шнекового механизма и поверхностями стенки сосуда, размеры которых значительно превышают размеры наночастиц.There is a method of dispersing a hardener in a synthetic resin, in which hardener particles and resin are placed in a vessel and mixed using a blade-screw mechanism installed in the vessel (US Patent No. 4049244, September 20, 1977, class 259/185). The disadvantage of this method in the case of its use for dispersing nanoparticles in a mixture with a resin is the uneven distribution of nanoparticles in the resin, which may be associated with insufficiently intensive mechanical mixing of the nanoparticles with the resin, as well as with the presence of gaps between the working surfaces of the blade-screw mechanism and the surface of the vessel wall, the size of which significantly exceeds the size of the nanoparticles.
Известен способ диспергирования наночастиц в смоле (Заявка РФ 2005105685, МПК C09J /00, дата публ. заявки 10.12.2005) с использованием механических или ультразвуковых колебании, при котором жидкую смесь нагревают перед диспергированием или во время диспергирования и охлаждают после диспергирования.A known method of dispersing nanoparticles in a resin (RF Application 2005105685, IPC C09J / 00, publication date 10.12.2005) using mechanical or ultrasonic vibrations, in which the liquid mixture is heated before dispersion or during dispersion and cooled after dispersion.
Недостатками данного способа являются:The disadvantages of this method are:
- отсутствие охлаждения жидкой смеси наночастиц со смолой во время диспергирования, вследствие чего нагрев смеси во время диспергирования может приводить к изменению структуры молекул смолы, что приводит к уменьшению прочности наномодифицированного клеевого соединения;- the lack of cooling of the liquid mixture of nanoparticles with the resin during dispersion, as a result of which heating the mixture during dispersion can lead to a change in the structure of the resin molecules, which leads to a decrease in the strength of the nano-modified adhesive compound;
- отсутствие контроля адгезионной составляющей прочности клеевого соединения путем испытаний на прочность при сдвиге образца клеевого соединения, изготовленного с применением полученной при диспергировании наноэпоксидной дисперсии.- the lack of control of the adhesive component of the strength of the adhesive joint by shear strength tests of a sample of the adhesive joint made using the dispersed nano-epoxy dispersion.
Известен способ диспергирования наночастиц в эпоксидной смоле, (Э.Г. Раков. Нанотрубки и фуллерены., М., Университетская книга, Логос, 2006, стр.161-167,297-298), в котором наночастицы предварительно диспергируют в растворителе с применением ультразвуковых колебаний, полученную дисперсию смещивают со смолой, а затем из полученной смеси испаряют растворитель.A known method of dispersing nanoparticles in an epoxy resin (EG Rakov. Nanotubes and fullerenes., M., University book, Logos, 2006, pp. 161-167,297-298), in which the nanoparticles are pre-dispersed in a solvent using ultrasonic vibrations , the resulting dispersion is displaced with the resin, and then the solvent is evaporated from the resulting mixture.
Данный способ позволяет получить при диспергировании равномерное распределение наночастиц в смоле. Однако у него имеются недостатки:This method allows to obtain during dispersion a uniform distribution of nanoparticles in the resin. However, it has disadvantages:
- трудно обеспечить полное удаление растворителя из смеси его со смолой и наночастицами, некоторое его количество остается и способствует образованию пористого клеевого шва, что уменьшает прочность и герметичность наномодифицированого клеевого соединения;- it is difficult to ensure complete removal of the solvent from a mixture of it with resin and nanoparticles, some of it remains and contributes to the formation of a porous adhesive joint, which reduces the strength and tightness of the nanomodified adhesive compound;
- операция предварительного диспергирования наночастиц в растворителе и операция удаления растворителя усложняют и удорожают способ;- the operation of preliminary dispersion of nanoparticles in a solvent and the operation of removing the solvent complicate and increase the cost of the method;
- отсутствует контроль адгезионной составляющей прочности клеевого соединения путем испытаний на прочность при сдвиге образца, изготовленного с применением полученной при диспергировании наноэпоксидной дисперсии.- there is no control of the adhesive component of the strength of the adhesive joint by shear strength tests of a sample made using the dispersed nano-epoxy dispersion.
Известен способ диспергирования наночастиц в эпоксидной смоле, в котором наночастицы предварительно смешивают с этанолом, подвергают смесь в течение 2 часов ультразвуковым колебаниям, смесь смешивают со смолой и отвердителем, а затем удаляют этанол из смеси вакуумированием (Smrutisikha Bal et al. Dispersion an reinforcing mechanism of carbon nanotubes in epoxy nanocomposite. Bull. Mater. Sci. Indian Academy of Science, vol. 33, №1, 2010, p.27-31. (http://www.ias.ac.in/matersci/bmteb2010/27.pdf).A known method of dispersing nanoparticles in an epoxy resin, in which nanoparticles are pre-mixed with ethanol, subjected to ultrasonic vibrations for 2 hours, the mixture is mixed with resin and hardener, and then ethanol is removed from the mixture by vacuum (Smrutisikha Bal et al. Dispersion an reinforcing mechanism of carbon nanotubes in epoxy nanocomposite. Bull. Mater. Sci. Indian Academy of Science, vol. 33, No. 1, 2010, p. 27-31. (http://www.ias.ac.in/matersci/bmteb2010/27 .pdf).
Вышеописанный способ позволяет получить при диспергировании равномерное распределение наночастиц в смоле. Однако у него имеются недостатки:The above method allows to obtain a dispersed uniform distribution of nanoparticles in the resin. However, it has disadvantages:
- операция предварительного диспергирования наночастиц в этаноле и операция удаления этанола вакуумированием усложняют и удорожают способ;- the operation of preliminary dispersion of the nanoparticles in ethanol and the operation of removing ethanol by vacuum complicate and increase the cost of the method;
- отсутствует контроль адгезионной составляющей путем испытаний на прочность при сдвиге образца клеевого соединения, изготовленного с применением полученной при диспергировании наноэпоксидной дисперсии.- there is no control of the adhesive component by testing the shear strength of a sample of an adhesive compound made using a nano-epoxy dispersion obtained by dispersing.
Известен способ диспергирования наночастиц в эпоксидной смоле, в котором наночастицы предварительно смешивают с ацетоном, подвергают смесь в течение 20-40 минут воздействию ультразвуковых колебаний, смешивают смесь с отвердителем и поверхностно активным веществом, подвергают смесь в течение 20-40 минут воздействию ультразвуковых колебаний, удаляют ацетон вакуумированием и смешивают со смолой для завершения процесса отверждения (Caio Erico Pizzutt et al. Study of epoxy /CNT nanocomposite prepared via dispersion in the hardener. Mater. Res., vol.14, №2, Cao Carlo 2011, Epub. June 03, 2011.), (http://www.sciclo.br/sciclo.php.pid=sl 516-14392011000200019&script=sci_arttext).A known method of dispersing nanoparticles in epoxy resin, in which the nanoparticles are pre-mixed with acetone, expose the mixture for 20-40 minutes to ultrasonic vibrations, mix the mixture with hardener and surfactant, expose the mixture for 20-40 minutes to ultrasonic vibrations, remove acetone by vacuum and mixed with resin to complete the curing process (Caio Erico Pizzutt et al. Study of epoxy / CNT nanocomposite prepared via dispersion in the hardener. Mater. Res., vol. 14, No. 2, Cao Carlo 2011, Epub. June 03 , 2011.), (http://www.sciclo.br/sciclo.php.pid = sl 516-14392011000200019 & script = sci_arttext).
Известный способ позволяет получить при диспергировании равномерное распределение наночастиц в смоле. Однако у него имеются недостатки:The known method allows to obtain during dispersion a uniform distribution of nanoparticles in the resin. However, it has disadvantages:
- операция предварительного диспергирования наночастиц в ацетоне, операция удаления ацетона вакуумированием, а так же применение двух операций, связанных с ультразвуковыми колебаниями длительностью по 20-40 минут, усложняют и удорожают способ;- the operation of preliminary dispersion of nanoparticles in acetone, the operation of removing acetone by vacuum, as well as the use of two operations associated with ultrasonic vibrations lasting 20-40 minutes, complicate and increase the cost of the method;
- отсутствует контроль адгезионной составляющей прочности клеевого путем испытаний на прочность при сдвиге образца клеевого соединения, изготовленного с применением полученной при диспергировании наноэпоксидной дисперсии.- there is no control of the adhesive component of the strength of the adhesive by testing the shear strength of a sample of the adhesive compound made using the dispersed nano-epoxy dispersion.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является способ диспергирования наночастиц в жидкой эпоксидной смоле, в котором наночастицы в виде углеродных нанотрубок смешивают с эпоксидной смолой и подвергают смесь ультразвуковым колебаниям в течение 5 часов (Fawad Inam et al. Multiscale hybrid micro-nanocomposite based on carbon nanotubes and fibres. Journal Nanomaterials, vol. 2010(2010), article ID 453420 doi. 10.1155/2010/453420, (www. http://hindawi.com/Journals/jnm 2010/453420).The closest technical solution to the present invention is a method of dispersing nanoparticles in a liquid epoxy resin, in which nanoparticles in the form of carbon nanotubes are mixed with an epoxy resin and subjected to ultrasonic vibrations for 5 hours (Fawad Inam et al. Multiscale hybrid micro-nanocomposite based on carbon nanotubes and fibers Journal of Nanomaterials, vol. 2010 (2010), article ID 453420 doi. 10.1155 / 2010/453420, (www. http://hindawi.com/Journals/jnm 2010/453420).
Этот способ позволяет получить при диспергировании равномерное распределение наночастиц в смоле. Однако у него имеются недостатки:This method allows to obtain during dispersion a uniform distribution of nanoparticles in the resin. However, it has disadvantages:
1. Большая продолжительность процесса диспергирования и отсутствие контроля температуры диспергируемой смеси. Согласно проведенным экспериментам и наноизмерениям (Э.Г. Раков. Нанотрубки и фуллерены. -М.: Университетская книга, Логос, 2006, стр.140) при большой длительности диспергирования может значительно (более чем в 1000 раз) уменьшаться длина нанотрубок, что должно уменьшать и когезионную, и адгезионную составляющие прочности клеевого соединения, изготовленного с применением полученной при диспергировании наноэпоксидной дисперсии. Адгезионная и когезионная составляющие прочности будет уменьшаться вследствие того, что наличие укороченных нанотрубок на молекулярном уровне снижает деформационную составляющую клеевой композиции, а также прочность сцепления на границе склеиваемых поверхностей с клеевой композицией, содержащей наноэпоксидную дисперсию с укороченными нанотрубками.1. The long duration of the dispersion process and the lack of temperature control of the dispersible mixture. According to the experiments and nano measurements (EG Rakov. Nanotubes and fullerenes. -M.: Universitetskaya Kniga, Logos, 2006, p. 140) with a long dispersion time, the length of nanotubes can be significantly reduced (more than 1000 times), which should to reduce both the cohesive and adhesive components of the strength of the adhesive joint made using the dispersed nano-epoxy dispersion. The adhesive and cohesive strength components will decrease due to the fact that the presence of truncated nanotubes at the molecular level reduces the deformation component of the adhesive composition, as well as the adhesion strength at the interface of the surfaces to be bonded to the adhesive composition containing a nano-epoxy dispersion with shortened nanotubes.
2. Отсутствует контроль адгезионной составляющей прочности клеевого соединения путем испытаний на прочность при сдвиге образца, изготовленного с применением полученной при диспергировании наноэпоксидной дисперсии.2. There is no control of the adhesive component of the strength of the adhesive joint by shear strength tests of a sample made using the dispersed nano-epoxy dispersion.
Задачей предлагаемого изобретения является создание клеевых и клеемеханических соединений различных элементов конструкций повышенной прочности.The objective of the invention is the creation of adhesive and adhesive-mechanical joints of various structural elements of increased strength.
Техническим результатом является повышение прочности клеевых соединений, выполненных с применением наномодифицированных композиций на основе жидких смол и повышение прочности элементов конструкции с упрочненными наномодифицированными клеевыми композициями зонами концентрации напряжений, а так же обеспечение стабильности повышенных прочностных свойств с течением времени.The technical result is to increase the strength of adhesive joints made using nanomodified compositions based on liquid resins and to increase the strength of structural elements with hardened nanomodified adhesive compositions by stress concentration zones, as well as to ensure stability of increased strength properties over time.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе диспергирования воздействуют на смесь наночастиц с жидкой смолой несколькими короткими импульсами ультразвуковых колебаний общей длительностью, не превышающей 100 секунд, или воздействуют на смесь одним импульсом такой же длительности с измерением температуры и охлаждением смеси в процессе воздействия, а после окончания диспергирования производят контроль его качества.The technical result is achieved by the fact that in the proposed dispersion method they act on a mixture of nanoparticles with a liquid resin with several short pulses of ultrasonic vibrations with a total duration not exceeding 100 seconds, or they affect a mixture with a single pulse of the same duration with temperature measurement and cooling of the mixture during exposure, and after dispersion is completed, its quality is monitored.
Технический результат достигается тем, что при воздействии на смесь нескольких коротких импульсов ультразвуковых колебаний после воздействия каждого импульса охлаждают смесь до комнатной температуры, а после воздействия на смесь одним импульсом длительностью, не превышающей 100 секунд, охлаждают смесь в процессе воздействия импульса так, чтобы температура смеси не превышала температуру смеси, при которой воздействие ультразвуковых колебаний приводит к уменьшению прочности при сдвиге клеевого соединения на основе клея, изготовленного с применением полученной при диспергировании наноэпоксидной дисперсии.The technical result is achieved by the fact that when a mixture is exposed to several short pulses of ultrasonic vibrations after exposure to each pulse, the mixture is cooled to room temperature, and after exposure to the mixture with one pulse lasting no more than 100 seconds, the mixture is cooled during exposure to a pulse so that the temperature of the mixture did not exceed the temperature of the mixture at which the action of ultrasonic vibrations leads to a decrease in shear strength of the adhesive joints based on glue made using the obtained dispersion by dispersing nanoepoksidnoy.
Технический результат достигается также тем, что для контроля качества диспергирования наночастиц в смеси со смолой испытывают на прочность при сдвиге контрольный образец клеевого соединения на основе клея, изготовленного с применением полученной при диспергировании наноэпоксидной дисперсии, и сравнивают полученное значение прочности с полученной на стадии отработки предложенного способа диспергирования максимальной прочностью при сдвиге образца клеевого соединения, изготовленного на основе клея с применением полученной на указанной стадии наноэпоксидной дисперсии.The technical result is also achieved by the fact that to control the quality of dispersion of nanoparticles in a mixture with resin, a control sample of an adhesive compound based on glue made using nano-epoxy dispersion obtained by dispersing is tested for shear strength and the obtained strength value is compared with that obtained at the stage of testing the proposed method dispersion with maximum shear strength of a sample of adhesive made on the basis of glue using the decree constant step nanoepoksidnoy dispersion.
Фиг.1. Влияние концентрации наночастиц в клее на предел прочности при сдвиге клеевого соединения.Figure 1. The effect of the concentration of nanoparticles in the adhesive on the ultimate tensile strength of the adhesive joint.
Фиг.2. Образец из углепластика, моделирующий фрагмент стенки нервюры крыла при испытаниях на потерю устойчивости при сдвиге.Figure 2. Carbon fiber specimen modeling a fragment of the wall of the wing ribs during the tests for shear stability loss.
Фиг.3. Дефекты на поверхности и кромках отверстия образца после механической обработки.Figure 3. Defects on the surface and edges of the sample opening after machining.
Фиг.4. Вид кромки отверстия, упрочненной наноклеевой композицией.Figure 4. View of the edge of the hole hardened by a nano-adhesive composition.
Фиг.5. Исходный образец после испытаний на сдвиг.Figure 5. The original sample after shear tests.
Фиг.6. Образец с упрочненным наноклеевой композицией отверстием после испытаний на сдвиг.6. Sample with a hardened nanoglue composition hole after shear tests.
Достижение значительного повышения прочности и ресурса клеевых соединений и других элементов конструкций с концентраторами напряжений возможно лишь при высококачественном диспергировании наночастиц в смеси с жидкой смолой, например, эпоксидной, которое определяется равномерным распределением наночастиц в смоле, минимальным их повреждением и минимальным повреждением структуры молекул смолы. Трудности обеспечения равномерности распределения наночастиц в смоле связаны со склонностью наночастиц к взаимному притяжению, приводящему к их слипанию и агрегированию. Поэтому способы и режимы диспергирования, а так же методы контроля качества диспергирования наночастиц в смоле имеют решающее значение для эффективного применения наномодифицированных эпоксидных клеевых композиций.Achieving a significant increase in the strength and resource of adhesive joints and other structural elements with stress concentrators is possible only with high-quality dispersion of nanoparticles in a mixture with a liquid resin, for example, epoxy, which is determined by the uniform distribution of nanoparticles in the resin, their minimal damage and minimal damage to the structure of resin molecules. Difficulties in ensuring uniform distribution of nanoparticles in the resin are associated with the tendency of nanoparticles to mutual attraction, leading to their adhesion and aggregation. Therefore, the methods and modes of dispersion, as well as methods for controlling the quality of dispersion of nanoparticles in a resin, are crucial for the effective use of nanomodified epoxy adhesive compositions.
Одним из способов контроля качества, наиболее полно отражающих качество диспергирования, является испытание на прочность при сдвиге образца клеевого соединения на основе клея, изготовленного с применением полученной при диспергировании наноэпоксидной дисперсии. В этих - испытаниях автоматически, в отличие от аналогов и прототипа контролируется две составляющие прочности клеевого слоя - когезионная составляющая (отражающая прочность наномодифицированного клеевого слоя) и адгезионная составляющая (отражающая прочность сцепления наномодифицированного клеевого слоя с поверхностями склеиваемых элементов конструкции). В связи с этим контроль качества диспергирования наночастиц в смеси их со смолой только по когезионной прочности материала, изготовленного с применением полученной при диспергировании наноэпоксидной дисперсии, является недостаточным.One of the quality control methods that most fully reflects the quality of dispersion is a shear strength test of a sample of an adhesive joint based on glue made using a nano-epoxy dispersion obtained by dispersing. In these tests, automatically, in contrast to analogues and prototype, two components of the adhesive layer strength are controlled - the cohesive component (reflecting the strength of the nanomodified adhesive layer) and the adhesive component (reflecting the adhesion strength of the nanomodified adhesive layer to the surfaces of bonded structural elements). In this regard, the quality control of the dispersion of nanoparticles in a mixture with a resin only by the cohesive strength of the material made using the dispersed nano-epoxy dispersion is insufficient.
Для осуществления предлагаемого способа воздействуют на смесь несколькими короткими импульсами ультразвуковых колебаний общей -длительностью, не превышающей 100 секунд, или воздействуют на смесь одним импульсом такой же длительности с измерением температуры в процессе воздействия и с охлаждением смеси, а после окончания диспергирования производят контроль его качества путем определения прочности клеевых соединении.To implement the proposed method, they act on the mixture with several short pulses of ultrasonic vibrations with a total duration of not more than 100 seconds, or act on the mixture with one pulse of the same duration with temperature measurement during exposure and with cooling of the mixture, and after dispersion is completed, its quality is checked by determination of the strength of adhesive bonding.
В процессе воздействия каждого короткого импульса ультразвуковых колебаний охлаждают смесь до комнатной температуры, а после воздействия на смесь одним импульсом длительностью, не превышающей 100 секунд, охлаждают смесь в процессе воздействия импульса таким образом, чтобы ее температура не превышала температуру смеси, при которой воздействие ультразвуковых колебаний приводит к уменьшению прочности при сдвиге клеевого соединения на основе клея, изготовленного с применением полученной при диспергировании наноэпоксидной дисперсии.During the action of each short pulse of ultrasonic vibrations, the mixture is cooled to room temperature, and after exposure to the mixture with one pulse lasting no more than 100 seconds, the mixture is cooled during the action of the pulse so that its temperature does not exceed the temperature of the mixture at which the effect of ultrasonic vibrations leads to a decrease in shear strength of an adhesive joint based on glue made using a nanoepoxy dispersion obtained by dispersion.
Для контроля качества диспергирования наночастиц в смеси их со смолой испытывают на прочность при сдвиге контрольный образец клеевого соединения на основе клея, изготовленного с применением полученной при диспергировании наноэпоксидной дисперсии, и сравнивают полученное значение прочности с полученной на стадии отработки предложенного способа диспергирования максимальной прочностью при сдвиге образца клеевого соединения, изготовленного на основе клея с применением полученной на указанной стадии наноэпоксидной дисперсии.To control the quality of dispersion of nanoparticles in a mixture with a resin, a control sample of an adhesive compound based on glue made using a nanoepoxy dispersion obtained by dispersing is tested for shear strength, and the obtained strength value is compared with that obtained at the stage of testing the proposed dispersion method with maximum shear strength of the sample an adhesive compound made on the basis of glue using a nano-epoxy dispersion obtained at the indicated stage.
При отработке предлагаемого способа диспергирования производят диспергирование наночастиц, например, углеродного наноматериала "Таунит" в эпоксидной смоле, например, ЭД-20 с применением нескольких коротких импульсов ультразвуковых колебаний общей длительностью, не превышающей 100 секунд, охлаждают смесь после воздействия каждого импульса ультразвуковых колебаний до комнатной температуры, изготавливают образцы клеевых соединений на основе клея, изготовленного с применением полученной при диспергировании наноэпоксидной дисперсии, и испытывают их на прочность при сдвиге. Форма и размеры образцов и методика испытаний образцов соответствуют ГОСТ 14759.When developing the proposed dispersion method, nanoparticles, for example, Taunit carbon nanomaterial, are dispersed in an epoxy resin, for example, ED-20, using several short pulses of ultrasonic vibrations with a total duration of not more than 100 seconds, cool the mixture after exposure of each pulse of ultrasonic vibrations to room temperature temperature, samples of adhesive compounds are made on the basis of glue made using the dispersed nano-epoxy dispersion, and test them for shear strength. The shape and size of the samples and the test procedure for the samples comply with GOST 14759.
С применением наноэпоксидной дисперсии, полученной при воздействии при диспергировании на смесь наночастиц со смолой трех импульсов ультразвуковых колебаний общей длительностью до 100 секунд с охлаждением после каждого импульса до комнатной температуры и при воздействии при диспергировании на смесь наночастиц со смолой одного импульса ультразвуковых колебаний длительностью до 100 секунд без охлаждения до комнатной температуры, были изготовлены и испытаны образцы клеевых соединений из сплава Д16АТ, которые показали, что предел прочности при сдвиге образцов клеевого соединения на основе клея, изготовленного с применением полученной при диспергировании наноэпоксидной дисперсии, во втором случае уменьшается ~ на 8% при увеличении температуры смеси наночастиц со смолой в конце диспергирования ~ в 1,5 раза по сравнению с конечной температурой смеси в конце воздействия кратковременных импульсов первого случая диспергирования. Одной из причин такого уменьшения прочности является возможное начало деструкции эпоксидной смолы, вызванное повышенной температурой при одновременном воздействии на смолу ультразвуковых колебаний. Основываясь на данных проведенных исследований, для того, чтобы температура при изготовлении наноэпоксидной дисперсии не приводила к уменьшению предела прочности при сдвиге образцов клеевого соединения на основе клея, изготовленного с применением полученной при диспергировании наноэпоксидной дисперсии, необходимо охлаждать смесь до комнатной температуры после воздействия каждого из нескольких коротких импульсов ультразвуковых колебаний с общей длительностью, не превышающей 100 секунд, или при воздействии одного импульса ультразвуковых колебаний длительностью не более 100 секунд осуществлять охлаждение с измерением температуры в процессе воздействия импульса и при этом производят охлаждение смеси так, чтобы ее температура была не выше 95°С в зависимости от вида смолы и объема приготавливаемой смеси.Using a nano-epoxy dispersion obtained by exposing a mixture of nanoparticles with a resin of three pulses of ultrasonic vibrations with a total duration of up to 100 seconds to cool after each pulse to room temperature and by applying a dispersion of a mixture of nanoparticles with a resin of one pulse of ultrasonic vibrations of up to 100 seconds without cooling to room temperature, samples of adhesive joints from alloy D16AT were made and tested, which showed that the tensile strength and when the samples of the adhesive compound based on glue made using the nano-epoxy dispersion obtained by dispersion are shifted, in the second case it decreases by ~ 8% with an increase in the temperature of the mixture of nanoparticles with resin at the end of dispersion by 1.5 times compared to the final temperature of the mixture in end of exposure to short pulses of the first case of dispersion. One of the reasons for this decrease in strength is the possible onset of epoxy resin degradation caused by elevated temperature while ultrasonic vibrations are applied to the resin. Based on the research data, so that the temperature during the manufacture of the nano-epoxy dispersion does not lead to a decrease in the shear strength of the adhesive joint samples based on glue made using the dispersed nano-epoxy dispersion, it is necessary to cool the mixture to room temperature after each of several short pulses of ultrasonic vibrations with a total duration not exceeding 100 seconds, or when exposed to a single pulse, ultrasound ovyh oscillation not exceeding 100 seconds to cool the temperature detection during the impact pulse and thus produce cooling the mixture so that its temperature is not higher than 95 ° C depending on the type and volume of the prepared resin mixture.
Первый вариант охлаждения смеси при диспергировании использован при доведении предложенного способа до практической реализации.The first option for cooling the mixture during dispersion was used to bring the proposed method to practical implementation.
С применением наноэпоксидной дисперсии, полученной при воздействии при диспергировании на смесь наночастиц со смолой нескольких коротких импульсов ультразвуковых колебаний общей длительностью до 100 секунд с охлаждением после каждого импульса до комнатной температуры были изготовлены и испытаны образцы клеевых соединений из сплава Д16АТ и из стеклопластика с титановым сплавом ВТ-6, которые показали (фиг.1, 1 - среднее значение предела прочности; 2 -минимальное значение предела прочности) существенное (до 26%) повышение минимального значения предела прочности при сдвиге наномодифицированного клеевого соединения по сравнению с пределом прочности при сдвиге исходного клеевого соединения.Using a nano-epoxy dispersion obtained by dispersing a mixture of nanoparticles with a resin of several short pulses of ultrasonic vibrations with a total duration of up to 100 seconds with cooling after each pulse to room temperature, samples of adhesive joints were made and tested from D16AT alloy and from fiberglass with titanium alloy VT -6, which showed (Fig. 1, 1 - the average value of the ultimate strength; 2 - the minimum value of the ultimate strength) significant (up to 26%) increase in the minimum value ultimate tensile strength of nanomodified adhesive joints compared with the ultimate tensile strength of the original adhesive joints.
При концентрации наночастиц в клее, изменяющейся в диапазоне от 0 до 2% коэффициент вариации предела прочности изменяется в пределах от 7,5 до 5,0. Повышение прочности клеевого соединения за счет наноэпоксидной дисперсии происходит без уменьшения предельных деформаций клеевого слоя, т.е. охрупчивания клеевого слоя в проведенных экспериментах не наблюдалось.When the concentration of nanoparticles in the adhesive, varying in the range from 0 to 2%, the coefficient of variation of the tensile strength varies from 7.5 to 5.0. An increase in the strength of the adhesive joint due to nano-epoxy dispersion occurs without reducing the ultimate deformation of the adhesive layer, i.e. no embrittlement of the adhesive layer was observed in the experiments performed.
Для контроля стабильности повышения прочности клеевых соединений за счет применения получаемой при диспергировании наноэпоксидной дисперсии были испытаны контрольные образцы клеевых соединений из алюминиевого сплава Д16АТ и контрольные образцы клеевых соединений из стеклопластика с титановым сплавом ВТ-6, изготовленные на основе клея с применением наноэпоксидной дисперсии, полученной с перерывом в 1,5 года после получения при отработке предложенного способа данных, приведенных на фиг.1. Результаты испытаний показали, что значения прочности при сдвиге контрольных образцов на 2-5% выше полученных раньше значений прочности.To control the stability of increasing the strength of adhesive joints due to the use of dispersed nano-epoxy dispersion, control samples of adhesive joints from aluminum alloy D16AT and control samples of adhesive joints from fiberglass with titanium alloy VT-6, made on the basis of glue using nanoepoxy dispersion obtained with a break of 1.5 years after receiving during the development of the proposed method the data shown in figure 1. The test results showed that the shear strength of the control samples is 2-5% higher than the previously obtained strength values.
С использованием клея, изготовленного с применением полученной при диспергировании наноэпоксидной дисперсии, было выполнено упрочнение поверхности и кромок отверстия диаметром 80 мм в образце из углепластика, моделирующего фрагмент стенки нервюры крыла самолета и были проведены испытания образца на потерю устойчивости при сдвиге (фиг.2). Дефекты на поверхности и кромках отверстия в образце после механической обработки, вид кромки отверстия, упрочненной наноклеевой композицией, и характер разрушения панелей показаны на фиг.3-6.Using glue made using the dispersed nano-epoxy dispersion, we strengthened the surface and edges of the hole with a diameter of 80 mm in a carbon fiber sample simulating a fragment of the wall of the rib of an airplane wing and tested the sample for shear stability (Fig. 2). Defects on the surface and edges of the hole in the sample after machining, the type of edge of the hole hardened by a nano-adhesive composition, and the nature of the destruction of the panels are shown in FIGS. 3-6.
Нагружение образца при испытаниях вызывает потерю устойчивости и расслоение углепластика в сжатой зоне (фиг.5), сопровождающиеся разрушением образца на кромках отверстия в зоне максимальной концентрации растягивающих напряжений. Упрочнение поверхности отверстия и заполнение содержащей наноэпоксидную дисперсию наноклеевой композицией микротрещин и микродефектов на кромках отверстия образца (фиг.6) сдвигает зону начала расслоения и разрушения от кромок отверстия и повышает значение нагрузки начала потери устойчивости образца на 32%.The loading of the sample during testing causes a loss of stability and delamination of the carbon fiber in the compressed zone (Fig. 5), accompanied by the destruction of the sample at the edges of the hole in the zone of maximum concentration of tensile stresses. Hardening of the surface of the hole and filling with a nano-epoxy dispersion of a nano-adhesive composition of microcracks and microdefects on the edges of the hole of the sample (Fig. 6) shifts the zone of the onset of delamination and fracture from the edges of the hole and increases the load onset of the loss of stability of the sample by 32%.
Таким образом, предложенным способом диспергирования наночастиц в эпоксидной смоле обеспечивается повышение прочности клеевых соединений, выполненных с применением наномодифицированных композиций на основе эпоксидных смол, повышается прочность элементов конструкции за счет упрочнения наномодифицированными клеевыми композициями зон концентрации напряжений, а так же обеспечивается стабильность повышенных прочностных свойств с течением времени.Thus, the proposed method of dispersing nanoparticles in epoxy resin provides an increase in the strength of adhesive joints made using nanomodified compositions based on epoxy resins, increases the strength of structural elements due to hardening of stress concentration zones by nanomodified adhesive compositions, and also ensures the stability of high strength properties over time time.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012114992/05A RU2500706C1 (en) | 2012-04-17 | 2012-04-17 | Method of dispersing nanoparticles in epoxide resin |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012114992/05A RU2500706C1 (en) | 2012-04-17 | 2012-04-17 | Method of dispersing nanoparticles in epoxide resin |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2012114992A RU2012114992A (en) | 2013-10-27 |
| RU2500706C1 true RU2500706C1 (en) | 2013-12-10 |
Family
ID=49446170
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2012114992/05A RU2500706C1 (en) | 2012-04-17 | 2012-04-17 | Method of dispersing nanoparticles in epoxide resin |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2500706C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2648889C1 (en) * | 2016-03-10 | 2018-03-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокомолекулярных соединений Российской академии наук | Control method of carbon nanoparticles surface treatment efficiency for its introduction into polymer materials and device for its implementation |
| RU2772606C1 (en) * | 2021-02-28 | 2022-05-23 | Общество c ограниченной ответственностью "Центр авиационных технологий и интерьера" (ООО «ЦАТИ») | Method for producing and applying an adhesive composition |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2005105685A (en) * | 2002-07-30 | 2005-12-10 | Стумфозер, Уилльям С. (Us) | HYBRID PLASTIZOLE / THERMAL ADHESIVES |
| US20090275689A1 (en) * | 2006-06-05 | 2009-11-05 | The University Of Akron | Ultrasound assisted continuous process for dispersion of nanofibers and nanotubes in polymers |
-
2012
- 2012-04-17 RU RU2012114992/05A patent/RU2500706C1/en active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2005105685A (en) * | 2002-07-30 | 2005-12-10 | Стумфозер, Уилльям С. (Us) | HYBRID PLASTIZOLE / THERMAL ADHESIVES |
| US20090275689A1 (en) * | 2006-06-05 | 2009-11-05 | The University Of Akron | Ultrasound assisted continuous process for dispersion of nanofibers and nanotubes in polymers |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ХВОСТОВ С.А. Принципы модификации углеродными наночастицами эпоксидных связующих и технология получения композитов на их основе // Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н. - Барнаул: 2007. BITTMANN В., HAUPERT F., SCHLARB А.К. Preparation of TiO 2 /epoxy nanocomposites by ultrasonic dispersion and their structure property relationship // Ultrasonics Sonochemistry, Volume 18, Issue 1, January 2011, Pages 120-126. * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2648889C1 (en) * | 2016-03-10 | 2018-03-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокомолекулярных соединений Российской академии наук | Control method of carbon nanoparticles surface treatment efficiency for its introduction into polymer materials and device for its implementation |
| RU2772606C1 (en) * | 2021-02-28 | 2022-05-23 | Общество c ограниченной ответственностью "Центр авиационных технологий и интерьера" (ООО «ЦАТИ») | Method for producing and applying an adhesive composition |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2012114992A (en) | 2013-10-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Zhou et al. | On adhesive properties of nano-silica/epoxy bonded single-lap joints | |
| Akpinar et al. | Research on strength of nanocomposite adhesively bonded composite joints | |
| Sun et al. | The effect of laser ablation treatment on the chemistry, morphology and bonding strength of CFRP joints | |
| Markatos et al. | The effects of manufacturing-induced and in-service related bonding quality reduction on the mode-I fracture toughness of composite bonded joints for aeronautical use | |
| Kanerva et al. | The peel ply surface treatment for adhesive bonding of composites: A review | |
| Mariam et al. | Influence of hydrothermal ageing on the mechanical properties of an adhesively bonded joint with different adherends | |
| Shahverdi et al. | Experimental investigation of R-ratio effects on fatigue crack growth of adhesively-bonded pultruded GFRP DCB joints under CA loading | |
| Akpinar et al. | Effect of nanostructured reinforcement of adhesive on thermal cycling performance of a single-lap joint with composite adherends | |
| Khashaba et al. | Development of CFRE composite scarf adhesive joints with SiC and Al2O3 nanoparticle | |
| Albedah et al. | Effect of load amplitude change on the fatigue life of cracked Al plate repaired with composite patch | |
| He et al. | Effect of moderately elevated temperatures on bond behaviour of CFRP-to-steel bonded joints using different adhesives | |
| Fard et al. | Correlation of nanoscale interface debonding and multimode fracture in polymer carbon composites with long-term hygrothermal effects | |
| Smith | Strengthening of concrete, metallic and timber construction materials with FRP composites | |
| Al-Zubaidy et al. | Experimental evaluation of the dynamic bond strength between CFRP sheets and steel under direct tensile loads | |
| Kim et al. | Waterproof characteristics of nanoclay/epoxy nanocomposite in adhesively bonded joints | |
| Zamani et al. | On the static and fatigue life of nano‐reinforced Al‐GFRP bonded joints under different dispersion treatments | |
| Akhavan-Safar et al. | Micro failure analysis of adhesively bonded joints enhanced with natural cork particles: Impact of overlap length and particles volume fraction | |
| Diharjo et al. | Effect of adhesive thickness and surface treatment on shear strength on single lap joint Al/CFRP using adhesive of epoxy/Al fine powder | |
| Saraç et al. | A research on the fatigue strength of the single-lap joint joints bonded with nanoparticle-reinforced adhesive | |
| Bello et al. | Fatigue crack growth in laser-treated adhesively bonded composite joints: An experimental examination | |
| Sanchez-Romate et al. | Exploring the mechanical and sensing capabilities of multi-material bonded joints with carbon nanotube-doped adhesive films | |
| Budzik et al. | Monitoring of crosslinking of a DGEBA-PAMAM adhesive in composite/aluminium bonded joint using mechanical and ultra-sound techniques | |
| RU2500706C1 (en) | Method of dispersing nanoparticles in epoxide resin | |
| Hu et al. | Computing the growth of naturally-occurring disbonds in adhesively-bonded patches to metallic structures | |
| Han et al. | Restoration of compressive strength of CFRP plates with edge delamination through CNT crack-bridging deposited by resin pre-coating solution |