Comportamiento Mecánico de Adhesivos Estructurales de Epoxi Endurecidos para Aplicaciones de Impacto
Autores: Ba, Gamze S.; Sancaktar, Erol
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2020
Acceso abierto
Artículo científico
2020
Comportamiento Mecánico de Adhesivos Estructurales de Epoxi Endurecidos para Aplicaciones de Impacto
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Química
Palabras clave
Propiedades físicas
Resistentes al impacto
Adhesivos estructurales
Tasa de carga
Epoxi modificado
Rellenos inorgánicos
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 22
Citaciones: Sin citaciones
El enfoque de nuestro estudio es identificar las propiedades físicas de diferentes adhesivos estructurales resistentes a impactos/endurcidos e identificar/desarrollar un modelo elástico-viscoelástico-plástico en función de la tasa de carga utilizando ecuaciones tipo Ludwik para poder predecir el comportamiento del adhesivo a tasas de carga más altas y hacer que los automóviles sean más seguros en caso de choque. Para este propósito, primero caracterizamos ocho adhesivos epóxicos estructurales comerciales endurecidos diferentes para proporcionar información detallada sobre sus constituyentes utilizando difracción de rayos X (XRD), análisis térmico diferencial (DTA), análisis termogravimétrico (TGA), microscopía electrónica de barrido (SEM) y espectrómetro de rayos X de dispersión de energía (EDS). La mayoría (pero no todos) de los adhesivos modelo contenían endurecedores orgánicos en forma de copolímero de acrilonitrilo butadieno terminado en carboxilo (CTBN), así como aductos de poliuretano. Las principales fases inorgánicas cristalinas se encontraron como calcita (CaCO), wollastonita (CaSiO) o silicato de calcio (CaSiO), talco (MgSiO (OH)), zeolita que es un mineral basado en silicato de alúmina y tiene muchos elementos diferentes en su composición (M/nO·AlO·xSiO·yHO, M puede ser Mg, Na, Ca, K, Li). La cantidad total de rellenos inorgánicos se encontró diferente en cada adhesivo. El comportamiento del material de los adhesivos modelo se determinó a través de pruebas de tracción y pruebas de unión de solapa simple (SLJ) en corte. También se utilizó la barra de presión de Split Hopkinson (SHPB) para medir los valores de deformación y tensión a tasas de deformación más altas en el orden de 10 s, que generalmente se encuentran en situaciones de carga relacionadas con impactos. Se observaron valores de tenacidad en el rango de ~0.5 a ~1.35 MJ/m con los adhesivos modelo probados en modo de tracción dentro del rango de tasas de deformación de ~3 x 10 a 0.18 m/m/s. El comportamiento de ablandamiento de los módulos elásticos a tasas de deformación más altas observadas durante las pruebas de tracción también se observó con las pruebas de SHPB. Es notable que, en general, las magnitudes del módulo parecen ser similares entre las pruebas de tracción y las muestras de SHPB dentro de este rango de ablandamiento del comportamiento elástico bilineal inicial observado. Cuando se compararon los resultados de las muestras a granel (tracción) y unidas (corte), se vio claramente que las respuestas de tenacidad de los adhesivos a las tasas de deformación (tracción/corte) en las formas a granel y unidas, respectivamente, eran diferentes, con los valores de tenacidad al corte unida en el rango de ~25 a ~120 MJ/m dentro del rango de deformación de corte de ~1.25 a ~25 mm/mm/s. El adhesivo modelo que incluía solo rellenos inorgánicos tuvo la tenacidad a tracción más baja a la tasa de deformación a tracción más baja, pero la pendiente más alta en su línea de regresión de tenacidad a tracción, exhibió la segunda tenacidad al corte unida más alta. Cuando se probó a las tasas de extensión de 25 mm/min y 100 mm/min en corte de solapa unida, el mismo adhesivo mostró áreas limitadas de fallo interfacial, sin embargo, el modo de fallo dominante fue el fallo cohesivo. Cuando la tasa de extensión aumentó aún más, se observó una transición al fallo interfacial (adhesivo) revelando que los fallos interfaciales no necesariamente disminuyen la tenacidad de unión del adhesivo. Nuestras observaciones apuntan al hecho de que los procesos de deformación/fallo cohesivo que indican separaciones interfaciales, interacciones entre partículas así como deformación de la matriz polimérica en un escenario de carga de alta deformación como en cargas de corte unidas pueden proporcionar la mayor tenacidad. Aparentemente, no es necesaria una gran fracción de peso de relleno inorgánico para obtener alta tenacidad al corte en forma unida, ya que la mayor tenacidad al corte unida se obtuvo con el adhesivo que tenía la menor cantidad de rellenos inorgánicos entre los adhesivos modelo con un 14.72 % en peso.
Descripción
El enfoque de nuestro estudio es identificar las propiedades físicas de diferentes adhesivos estructurales resistentes a impactos/endurcidos e identificar/desarrollar un modelo elástico-viscoelástico-plástico en función de la tasa de carga utilizando ecuaciones tipo Ludwik para poder predecir el comportamiento del adhesivo a tasas de carga más altas y hacer que los automóviles sean más seguros en caso de choque. Para este propósito, primero caracterizamos ocho adhesivos epóxicos estructurales comerciales endurecidos diferentes para proporcionar información detallada sobre sus constituyentes utilizando difracción de rayos X (XRD), análisis térmico diferencial (DTA), análisis termogravimétrico (TGA), microscopía electrónica de barrido (SEM) y espectrómetro de rayos X de dispersión de energía (EDS). La mayoría (pero no todos) de los adhesivos modelo contenían endurecedores orgánicos en forma de copolímero de acrilonitrilo butadieno terminado en carboxilo (CTBN), así como aductos de poliuretano. Las principales fases inorgánicas cristalinas se encontraron como calcita (CaCO), wollastonita (CaSiO) o silicato de calcio (CaSiO), talco (MgSiO (OH)), zeolita que es un mineral basado en silicato de alúmina y tiene muchos elementos diferentes en su composición (M/nO·AlO·xSiO·yHO, M puede ser Mg, Na, Ca, K, Li). La cantidad total de rellenos inorgánicos se encontró diferente en cada adhesivo. El comportamiento del material de los adhesivos modelo se determinó a través de pruebas de tracción y pruebas de unión de solapa simple (SLJ) en corte. También se utilizó la barra de presión de Split Hopkinson (SHPB) para medir los valores de deformación y tensión a tasas de deformación más altas en el orden de 10 s, que generalmente se encuentran en situaciones de carga relacionadas con impactos. Se observaron valores de tenacidad en el rango de ~0.5 a ~1.35 MJ/m con los adhesivos modelo probados en modo de tracción dentro del rango de tasas de deformación de ~3 x 10 a 0.18 m/m/s. El comportamiento de ablandamiento de los módulos elásticos a tasas de deformación más altas observadas durante las pruebas de tracción también se observó con las pruebas de SHPB. Es notable que, en general, las magnitudes del módulo parecen ser similares entre las pruebas de tracción y las muestras de SHPB dentro de este rango de ablandamiento del comportamiento elástico bilineal inicial observado. Cuando se compararon los resultados de las muestras a granel (tracción) y unidas (corte), se vio claramente que las respuestas de tenacidad de los adhesivos a las tasas de deformación (tracción/corte) en las formas a granel y unidas, respectivamente, eran diferentes, con los valores de tenacidad al corte unida en el rango de ~25 a ~120 MJ/m dentro del rango de deformación de corte de ~1.25 a ~25 mm/mm/s. El adhesivo modelo que incluía solo rellenos inorgánicos tuvo la tenacidad a tracción más baja a la tasa de deformación a tracción más baja, pero la pendiente más alta en su línea de regresión de tenacidad a tracción, exhibió la segunda tenacidad al corte unida más alta. Cuando se probó a las tasas de extensión de 25 mm/min y 100 mm/min en corte de solapa unida, el mismo adhesivo mostró áreas limitadas de fallo interfacial, sin embargo, el modo de fallo dominante fue el fallo cohesivo. Cuando la tasa de extensión aumentó aún más, se observó una transición al fallo interfacial (adhesivo) revelando que los fallos interfaciales no necesariamente disminuyen la tenacidad de unión del adhesivo. Nuestras observaciones apuntan al hecho de que los procesos de deformación/fallo cohesivo que indican separaciones interfaciales, interacciones entre partículas así como deformación de la matriz polimérica en un escenario de carga de alta deformación como en cargas de corte unidas pueden proporcionar la mayor tenacidad. Aparentemente, no es necesaria una gran fracción de peso de relleno inorgánico para obtener alta tenacidad al corte en forma unida, ya que la mayor tenacidad al corte unida se obtuvo con el adhesivo que tenía la menor cantidad de rellenos inorgánicos entre los adhesivos modelo con un 14.72 % en peso.