Estimating the Effect of Fillers on the Mechanical Properties of Epoxy Glue Coatings by Microindentation

S. V. Smirnov; I. A. Veretennikova; E. O. Smirnova; A. V. Pestov

doi:10.17804/2410-9908.2017.6.103-111

S. V. Smirnov, I. A. Veretennikova, E. O. Smirnova, A. V. Pestov

ESTIMATING THE EFFECT OF FILLERS ON THE MECHANICAL PROPERTIES OF EPOXY GLUE COATINGS BY MICROINDENTATION

DOI: 10.17804/2410-9908.2017.6.103-111

Epoxy glue coatings based on the ED-20 epoxy-diane resin, filled with nanosized TiO₂, SiO₂, Al₂O₃ and ZnO oxides and applied on an aluminum-magnesium alloy base, are studied by instrumented indentation. Hardness, reduced normal modulus of elasticity and creep are chosen as characterizing parameters. The obtained characteristics are compared with the corresponding values for unmodified glue. It is demonstrated that modification of epoxy glue increases the hardness and reduced the normal modulus of the coating if compared to unfilled glue; however, the degree of increase for each additive is different. In the range of the loading time from 1 to 40 s, at a load of 1 N, all the samples show viscous properties, which are expressed in decreased hardness and lower speed of load application. The magnitude of the reduced normal modulus does not manifest itself as a function of the loading rate. A further increase in the loading time has an insignificant effect on the hardness value for all the samples. The introduction of the TiO₂, SiO₂ and Al₂O₃ modifiers does not cause any quantitative change in the creep behavior as compared with the unmodified glue, the creep of these coatings being largely due to the polymer base. In turn, the addition of zinc oxide increases the tendency of the glue to creep, and this is probably due to the plasticizing effect of zinc alkoxides formed on the surface.

Acknowledgements: This work was supported by the Russian Foundation for Basic Research (grant No. 16-08-01154).

Keywords: epoxy-diane resin, modifiers, oxides, creep, microindentation

Bibliography:

Nielsen L. Mekhanicheskie Svoystva Polimerov i Polimernykh Pokrytiy [Mechanical Properties of Polymers and Composites]. M., Khimiya, 1978, 321 р. (In Russian)
Petrova A.P., Dementieva L.A., Lukina N.F., Anikhovskaya L.I. Film structural adhesives. Klei. Germetiki. Tekhnologii, 2014, no. 10, pp. 7–12. (In Russian).
Dementieva L.A., Bocharova L.I., Lukina N.F., Petrov A.P. Multifunctional epoxy adhesives for aircraft equipment. Klei. Germetiki. Tekhnologii, 2006, no. 7, pp. 18–20. (In Russian).
Kickelbick G. Concepts for the incorporation of inorganic building blocks into organic polymers on a nanoscale. Prog Polym Sci., 2002, no. 28, pp. 83–114.
Rahman A., Ali I., Al Zahrani S., Eleithy R.H. A review of the applications of nanocarbon polymer composites. NANO Brief Rep. Rev., 2011, no. 6, pp. 185–203.
Deesy Pinto, Luís Bernardo, Ana Amaro, Sérgio Lopes. Mechanical properties of epoxy nanocomposites using titanium dioxide as reinforcement. Construction and Building Materials, 2015, no. 95, pp. 506–524.
Allahverdi Ali, Ehsani Morteza, Janpour Hadi, Ahmadi Shervin. The effect of nanosilica on mechanical, thermal and morphological properties of epoxy coating. Progress in Organic Coatings, 2012, no. 75, pp. 543–548.
Wichmann M., Cascione M., Fiedler B., Quaresimin M., Schulte K. Influence of surface treatment on mechanical behaviour of fumed silica/epoxy resin nanocomposites. Compos. Interfaces, 2006, vol. 8, no. 13, pp. 699–715.
Chen Q., Chasiotis I., Chen C., Roy A. Nanoscale and effective mechanical behavior and fracture of silica nanocomposites. Compos. Sci. Technol., 2008, no. 68, pp. 3137–3144.
Kablov E.N., Chursova L.V., Lukina N.F., Kutsevich K.E., Rubtsova E.V., Petrova A.P. The study of epoxy-polysulfone systems as a base of high-strength adhesives for aircraft applications. Klei. Germetiki. Tekhnologii, 2017, no. 3, pp. 7–12. (In Russian).
Nurullaev E.M., Ermilov A.S., Darovskikh А.V. Rheological and mechanical properties of polymer composite materials filled with dispersed particles. Vestnik PNIPU. Aerokosmicheskaya Tekhnika, 2013, no. 34, pp. 124–140. (In Russian).
Rubtsova E.V., Sharova, I.A., Petrova A.P. VK-36T high-strength film glue based on an epoxy-polysulfone system. News of Material Science and Technology, 2016, no. 6 (24), pp. 60–68. (In Russian).
Starkova O., Buschhorn S.T., Mannov E., Schulte K., Aniskevich A. Creep and recovery of epoxy/MWCNT nanocomposites. Composites: Part A, 2012, no, 43, pp. 1212–1218. DOI: 10.1016/j.compositesa.2012.03.015
Jia Yu, Peng Ke, Gong Xing-long, Zhang Zhong. Creep and recovery of polypropylene/carbon nanotube composites. International Journal of Plasticity, 2011, no. 27, pp. 1239–1251. DOI: 10.1155/2013/209529
Petrov A.P., Lukin N.F., Sharova I.A. Assessment of the strength of variously affected adhesive joints made with epoxy adhesives. In: Vse Materialy. Entsiklopedicheskiy Spravochnik [All metals. Encyclopaedic Handbook]. 2013, no. 8, pp. 28–34. (In Russian).
Aboubakr Sherif H., Kandil Usama F., Reda Taha Mahmoud. Creep of epoxy–clay nanocomposite adhesive at the FRPinterface: A multi-scale investigation. International Journal of Adhesion&Adhesives, 2014, no. 54, pp. 1–12. DOI: 10.1016/j.ijadhadh.2014.04.003
Díez-Pascual Ana M., Gómez-Fatou Marián A., Ania Fernando, Flores Araceli Nanoindentation in polymer nanocomposites. Progress in Materials Science, 2015, no. 67, pp. 1–94. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2014.06.002
Oliveira G.L., Costa C.A., Teixeira S.C. S., Costa M.F. The use of nano- and microinstrumented indentation tests to evaluate viscoelastic behavior of poly (vinylidene fluoride) (PVDF). Polymer Testing, 2014, no. 34, pp. 10–16. DOI: 10.1016/j.polymertesting.2013.12.006
Suvorov A.L., Dultseva L.D., Ovchinnikov G.I., Khrustaleva E.A. Ostanina N.Yu., Abramov V.I. Preparation and properties of polymers derived from epoxy resins and oligochelatotitanophenylenesiloxanes. Journal of applied chemistry, 2003, vol. 76, no. 11, pp. 1895–1900. DOI: 10.1023/B:RJAC.0000018697.76047.67
GOST R 8.748-2011 (ISO 14577-1:2002). State system for ensuring the uniformity of measurements. Metals and alloys. Hardness and other characteristics of materials at instrumental indentation test. Part 1. Test method. Intr. 2013-05-01. Moscow, Standartinform Publ., 2013, 28 p. (In Russian).
Oliver W.C., Phar G.M. An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments. J. Mater. Res., 1992, vol. 7, no 6, pp. 1554–1583.
Peerapan Dittanet, Raymond A. Pearson Effect of silica nanoparticle size on toughening mechanisms of filled epoxy. Polymer, 2012, no. 53, pp. 1890–1905. DOI: 10.1016/j.polymer.2012.02.052
Allahverdi Ali, Ehsani Morteza, Janpour Hadi, Ahmadi Shervin. The effect of nanosilica on mechanical, thermal and morphological properties of epoxy coating. Progress in Organic Coatings, 2012, no. 75, pp. 543– 548. DOI: 10.1016/j.porgcoat.2012.05.013 24
Lipatov Yu.S. Fiziko-Khimicheskie Osnovy Napolneniya Polimerov [Physical and Chemical Bases for Polymer Filling]. Moscow, Khimiya Publ., 1991, 257 p. (In Russian).
Remias R., Kukovecz A., Daranyi M., Kozma G., Varga S., Konya Z., Kiricsi I. Synthesis of Zinc Glycerolate Microstacks from a ZnO Nanorod Sacrificial Template. European Journal of Inorganic Chemistry, 2009, no. 24, pp. 3622–3627. DOI: 10.1002/ejic.200900308

С. В. Смирнов, И. А. Веретенникова, Е. О. Смирнова, А. В. Пестов

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ НАПОЛНИТЕЛЕЙ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЭПОКСИДНОГО КЛЕЕВОГО ПОКРЫТИЯ, ОПРЕДЕЛЕННЫЕ МЕТОДОМ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО МИКРОИНДЕНТИРОВАНИЯ

Методом инструментального индентирования исследованы клеевые покрытия на основе эпоксидно-диановой смолы марки ЭД-20, наполненные наноразмерными оксидами TiO2, SiO2, ZnO, Al2O3. В качестве основы для покрытий использовали алюминий-магниевый сплав. Характеризующими параметрами были выбраны твердость, приведенный нормальный модуль упругости и ползучесть. Полученные характеристики сравнивали с соответствующими значениями для ненаполненного клея. Было показано, что модифицирование эпоксидного клея увеличивает значения твердости и контактного нормального модуля упругости покрытия по сравнению с ненаполненным клеем, однако степень увеличения для каждой добавки различна. В диапазоне времени нагружения от 1 до 40 с до нагрузки 1 Н все образцы проявляют вязкие свойства, выражающиеся в уменьшении твердости при уменьшении скорости приложения нагрузки. Величина контактного нормального модуля упругости зависимости от скорости нагружения не проявляет. Дальнейшее увеличение времени нагружения оказывает незначительное влияние на величину твердости для всех образцов. Введение модификаторов TiO2, SiO2, Al2O3 не вызывает количественного изменения зависимости ползучести от времени выдержки по сравнению с ненаполненным клеем, ползучесть этих покрытий в большей степени обусловлена полимерной основой. В свою очередь, добавление оксида цинка увеличивает склонность клея ЭТП-2 к ползучести, что, вероятно, обусловлено пластифицирующим действием формирующихся на поверхности частиц алкоксидов цинка.

Благодарности: Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 16-08-01154).

Ключевые слова: эпоксидно-диановая смола, модификаторы, оксиды, ползучесть, микроиндентирование

Библиография:

Нильсен Л. Механические свойства полимеров и полимерных композиций. – М. : Химия, 1978. – 321 с.
Пленочные конструкционные клеи / А. П. Петрова, Л. А. Дементьева, Н. Ф. Лукина, Л. И. Аниховская // Клеи. Герметики. Технологи. – 2014. – № 10. – С. 7–12. 3.
Многофункциональные эпоксидные клеи для авиационной техники / Л. А. Дементьева, Л. И. Бочарова, Н. Ф. Лукина, А. П. Петрова // Клеи. Герметики. Технологии. – 2006. – № 7. – С. 18–20.
Kickelbick G. Concepts for the incorporation of inorganic building blocks into organic polymers on a nanoscale // Prog Polym Sci. – 2002. – No. 28. – P. 83–114.
A review of the applications of nanocarbon polymer composites / A. Rahman, I. Ali, S. Al Zahrani, R. H. Eleithy // NANO Brief Rep. Rev. – 2011. – No. 6. – Р. 185–203.
Mechanical properties of epoxy nanocomposites using titanium dioxide as reinforcement / Deesy Pinto, Luís Bernardo, Ana Amaro, Sérgio Lopes // Construction and Building Materials. – 2015. – No. 95. – Р. 506–524.
The effect of nanosilica on mechanical, thermal and morphological properties of epoxy coating / Ali Allahverdi, Morteza Ehsani, Hadi Janpour, Shervin Ahmadi // Progress in Organic Coatings. – 2012. – No. 75. – Р. 543– 548.
Influence of surface treatment on mechanical behaviour of fumed silica/epoxy resin nanocomposites / M. Wichmann, M. Cascione, B. Fiedler, M. Quaresimin, K. Schulte // Compos. Interfaces. – 2006. – Vol. 8, no. 13. – Р. 699–715.
Nanoscale and effective mechanical behavior and fracture of silica nanocomposites / Q. Chen, I. Chasiotis, C. Chen, A. Roy // Compos. Sci. Technol. – 2008. – No. 68. – Р. 3137–3144.
Исследование эпоксидно-полисульфоновых систем как основы высокопрочных клеев авиационного назначения / Е. Н. Каблов, Л. В. Чурсова, Н. Ф. Лукина, К. Е. Куцевич, Е. В. Рубцова, А. П. Петрова // Клеи. Герметики. Технологии. – 2017. – № 3. – С. 7–12.
Наруллаев Э. М., Ермилов А. С., Даровских А. В. Реолого-механические свойства наполненных дисперсными частицами полимерных композиционных материалов // Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника. – 2013. – № 34. – С. 124–140.
Рубцова Е. В., Шарова И. А., Петрова А. П. Высокопрочный пленочный клей ВК-36Т на основе эпоксидно-полисульфоновой системы // Новости материаловедения. Наука и техника. – 2016. – № 6 (24). – С. 60–68.
Creep and recovery of epoxy/MWCNT nanocomposites / O. Starkova, S. T. Buschhorn, E. Mannov, K. Schulte, A. Aniskevich // Composites: Part A. – 2012. – № 43. – Р. 1212–1218. – DOI: 10.1016/j.compositesa.2012.03.015
Creep and recovery of polypropylene/carbon nanotube composites / Y. Jia, K. Peng, G. Xing-Long, and Z. Zhong // International Journal of Plasticity. – 2011. – No. 27. – Р. 1239–1251. – DOI: 10.1155/2013/209529
Петрова А. П., Лукина Н. Ф., Шарова И. А. Оценка прочности клеевых соединений, выполненных эпоксидными клеями, при воздействии различных факторов // Все материалы : эциклопедический справочник. – 2013. – № 8. – С. 28–34.
Sherif H. Aboubakr, Kandil Usama F., Taha Mahmoud Reda. Creep of epoxy–clay nanocomposite adhesive at the FRPinterface: A multi-scale investigation // International Journal of Adhesion&Adhesives. – 2014. – № 54. – Р. 1–12. – DOI: 10.1016/j.ijadhadh.2014.04.003
Nanoindentation in polymer nanocomposites / Díez-Pascual Ana M., Gómez-Fatou Marián A., Ania Fernando, Flores Araceli // Progress in Materials Science. – 2015. – No. 67. – Р. 1–94. – DOI: 10.1016/j.pmatsci.2014.06.002
The use of nano- and micro-instrumented indentation tests to evaluate viscoelastic behavior of poly (vinylidene fluoride) (PVDF) / G. L. Oliveira, C. A. Costa, S. C. S. Teixeira, M. F. Costa // Polymer Testing. – 2014. – No. 34. – Р. 10–16. – DOI: 10.1016/j.pmatsci.2014.06.002
Preparation and properties of polymers derived from epoxy resins and oligochelatotitanophenylenesiloxanes / A. L. Suvorov, L. D. Dultseva, G. I. Ovchinnikov, E. A. Khrustaleva, N. Yu. Ostanina, V. I. Abramov // Journal of Applied Chemistry. – 2003 – Vol. 76, no. 11. – P. 1895–1900. – DOI: 10.1023/B:RJAC.0000018697.76047.67
ГОСТ Р 8.748-2011 (ISO 14577-1:2002). Государственная система обеспечения единства измерений. Металлы и сплавы. Измерение твердости и других характеристик материалов при инструментальном индентировании. Часть 1. Метод испытаний. Введ. 2013-05-01. – М. : Стандартинформ. – 2013. – 28 с.
Oliver W. C., Phar G. M. An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments // J. Mater. Res. – 1992. – Vol. 7, no. 6. – Р. 1554–1583.
Peerapan Dittanet, Raymond A. Pearson Effect of silica nanoparticle size on toughening mechanisms of filled epoxy // Polymer. – 2012. – № 53. – Р. 1890–1905. – DOI: 10.1016/j.polymer.2012.02.052
The effect of nanosilica on mechanical, thermal and morphological properties of epoxy coating / Allahverdi Ali, Ehsani Morteza, Janpour Hadi, Ahmadi Shervin // Progress in Organic Coatings. – 2012. – No. 75. – Р. 543– 548. – DOI: 10.1016/j.porgcoat.2012.05.013
Липатов Ю. С. Физико-химические основы наполнения полимеров. – М. : Химия. – 1991. – 257 с.
Synthesis of Zinc Glycerolate Microstacks from a ZnO Nanorod Sacrificial Template / R. Remias, A. Kukovecz, M. Daranyi, G. Kozma, S. Varga, Z. Konya, I. Kiricsi // European Journal of Inorganic Chemistry. – 2009. – № 24. – Р. 3622–3627. – DOI: 10.1002/ejic.200900308

Библиографическая ссылка на статью

Estimating the Effect of Fillers on the Mechanical Properties of Epoxy Glue Coatings by Microindentation / S. V. Smirnov, I. A. Veretennikova, E. O. Smirnova, A. V. Pestov // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. - 2017. - Iss. 6. - P. 103-111. -
DOI: 10.17804/2410-9908.2017.6.103-111. -
URL: http://dream-journal.org/issues/2017-6/2017-6_156.html
(accessed: 21.11.2024).