تأثیر نانوکلی بر عملکرد چسب‌های پلی‌یورتان
چسب‌های پلی‌یورتان (PU) تقویت‌شده با نانوکلی به دلیل داشتن استحکام مکانیکی، مقاومت حرارتی و عملکرد چسبندگی چشمگیر به لحاظ کاربرد صنعتی جایگاه ویژه ای را به خو اختصاص داده اند. این نانوکلی‌ها، که معمولاً از سیلیکات‌های لایه‌ای یا ساختارهای هیدروکسیدی اصلاح‌شده برای سازگاری بیشتر تشکیل شده‌اند، در غلظت‌های پایین (معمولاً ۱ تا ۵ درصد وزنی) به ماتریس پلی‌یورتان افزوده می‌شوند تا از نسبت بالای ابعاد به ضخامت، سطح ویژه قابل ملاحظه و ساختار شیمیایی اصلاح شده آن‌ها بهره‌برداری شود. خروجی این ویژگیهای منحصر به فرد، بهبود چشمگیر رفتار مکانیکی پلیمر و همچنین افزایش قابلیت چسبندگی سیستم است.
1- بهبود خواص مکانیکی
در سیستم چسب های پلی‌یورتان، نانوکلی‌ها به عنوان مکان‌هایی مؤثر برای انتقال تنش عمل کرده و حتی با درصدهای بسیار پایین موجب بهبود قابل توجهی در خواص کششی می‌شوند. بر پایه یک پژوهش علمی، افزودن تنها ۳ درصد وزنی نانوکلی موجب افزایش استحکام کششی حدود ۴۹٪ شد (از حدود ۶٫۳ مگاپاسکال به ۹٫۴ مگاپاسکال). علاوه بر این، مدول یانگ بیش از ۳۰٪ افزایش یافت و درصد ازدیاد طول تا پارگی از ۵۵۸٪ به ۷۱۵٪ رسید که نشان‌دهنده هم‌زمان افزایش سختی و انعطاف‌پذیری سیستم است. این روند تا بارگذاری ۵ درصدی نیز ادامه یافت، هرچند در مقادیر بالاتر از آن، اثرات تجمیع ذرات مانع بهبود بیشتر شد.
در فرمولاسیون‌های مشابه دیگر، افزودن نانوکلی باعث افزایش استحکام کششی و مدول یانگ به ترتیب تا بیش از ۴۰۰٪ و ۱۷۰٪ شد. در بارگذاری ۵ درصد وزنی، چسب ها توانستند به ۳ برابر افزایش در استحکام برشی لبه ای (lap-shear) و افزایشی بیش از ۱۴۰٪ در استحکام پوست‌کنی (peel) نسبت به پلی‌یورتان پایه (فاقد نانوکلی) دست یابند. در بسیاری از موارد، شکست چسب به‌صورت گسیختگی در داخل خود چسب رخ داد (نه در فصل مشترک)، که نشان‌دهنده این است که فصل مشترک از استحکام بالاتری در قیاس با خود چسب برخوردار بوده است.
نحوه تغییر خواص مکانیکی ناشی از افزودن نانوکلی در چسب‌های پلی‌یورتان
2- بهبود پایداری حرارتی
بر اساس نتایج آنالیزهای حرارتی (TGA و DSC)، افزودن نانوکلی به چسب‌های پلی یورتان، شروع و پیشروی تخریب حرارتی را به تأخیر می‌اندازد. در غلظت‌های ۳ تا ۵ درصد وزنی از نانوکلی، دمای شروع افت ۲٪ وزنی حدود ۱۵ تا ۱۹ درجه سانتی‌گراد افزایش یافت و نقطه تخریب ۵۰٪ نیز به میزان ۲۰ تا ۲۵ درجه سانتی‌گراد افزایش پیدا کرد. این تأخیر به دلیل نقش نانوکلی در کاهش نفوذ حرارت و جرم و نیز تشکیل لایه زغال محافظ بر روی پلیمر زیرین است.
همچنین، افزودن نانوکلی در بسیاری از موارد موجب افزایش دمای انتقال شیشه‌ای (Tg) به میزان ۵ تا ۱۰ درجه سانتی‌گراد می‌شود، که نشان‌دهنده محدود شدن حرکت زنجیره‌های پلیمری به واسطه برهم‌کنش بین پلیمر و سطح نانوکلی است.
3- بهبود عملکرد چسبندگی
یکی از مزایای کاربردی افزودن نانوکلی به چسب‌های پلی یورتان، بهبود چشمگیر در استحکام اتصال است. به‌عنوان مثال، در اتصال چوب به چوب، افزودن ۳٪ وزنی نانوکلی موجب شد استحکام برشی لبه ای از حدود ۶٫۹ مگاپاسکال به ۱۰٫۳۵ مگاپاسکال برسد (افزایش حدود ۵۰٪). این بهبود در دماهای بالا و شرایط مرطوب نیز پایدار باقی ماند که نشان‌دهنده مقاومت خوب چسب در برابر حرارت و رطوبت است.
در سیستم‌های اتصال فلز، افزایش در استحکام پوست‌کنی تا ۱۴۸٪ و افزایش در استحکام برشی لپه بیش از ۳۰۰٪ با افزودن 5 درصد وزنی نانوکلی گزارش شده است. این تغییرات قابل ملاحظه عمدتاً ناشی از بهبود توزیع انرژی در فصل مشترک نانوکلی-پلیمر و نیز قفل‌شدگی مکانیکی زنجیره های پلیمری حاصل از نانولایه های سرامیکی پخش‌شده در ماتریس است.
4- فرآیندپذیری و میزان مصرف بهینه
در حالی‌که بر اساس مشاهدات تجربی افزودن مقادیر پایین نانوکلی (۱ تا 3 درصد وزنی) نتایج قابل توجهی به همراه داشته اند، بسیاری از سیستم‌ها در مقادیر ۳ تا ۵ درصد وزنی به بیشینه عملکرد خود می‌رسند، جایی که خواص کششی و چسبندگی توامان به حداکثر مقدار می‌رسند. با این حال، در بارگذاری‌های بالاتر از این مقدار، تمایل به تجمع ذرات باعث کاهش کارایی می‌شود. بنابراین، تکنیک‌های مناسب پراکندگی—مانند میکسرهای با تنش برش بالا یا استفاده از امواج فراصوت—برای حفظ مورفولوژی بین لایه‌ای یا جدایش لایه های نانوکلی از یکدیگر بسیار ضروری هستند.
5- جمع بندی
افزودن درصد کمی از نانوکلی به فرمولاسیون چسب‌های پلی‌یورتان باعث بهبود قابل ملاحظه‌ای در استحکام مکانیکی، پایداری حرارتی و عملکرد چسبندگی می‌شود. استحکام کششی می‌تواند تا ۴ برابر افزایش یابد، مدول بیش از ۲ برابر شود و استحکام اتصالات (برشی و پوست‌کنی) نیز ۲ تا ۳ برابر بهبود یابد. همچنین، نانوکلی‌ها دمای شروع تخریب حرارتی را ۱۰ تا ۳۰ درجه سانتی‌گراد افزایش داده و دمای انتقال شیشه‌ای را نیز بالا می‌برند، که موجب بهبود عملکرد چسب در شرایط دمایی و بارگذاری سخت می‌شود. این بهبودها تنها با چند درصد وزنی نانوکلی حاصل می‌شوند و از نظر عملیاتی برای کاربردهای ساختمانی، بسته‌بندی و خودرویی بسیار مهم هستند.
6- منابع