Formulesheni ya gundi inayopanuka kwa joto, ni mfumo wa gundi unaoweza kujaza pengo kati ya nyuso mbili kutokana na ongezeko la ujazo la wakala wa upanuzi wa kimwili wakati wa kupashwa joto, kisha kuimarisha muundo wake kwa uunganishaji mtambuka wa thermoset. Utafiti huu ulitengeneza mbinu asilia ya uainishaji inayounganisha sahani ya kupasha joto ya Peltier ndani ya hadubini ya macho ili kufuatilia moja kwa moja upanuzi wa gundi ya filamu ngumu yenye msingi wa BADGE/Dicy. Gundi iliwekwa kati ya sahani mbili za kioo zikiwa na pengo lisilobadilika; wakati wa kupashwa joto, kulegea, ukuaji wa wakala wa upanuzi wa kimwili, mgusano na kioo cha juu, kusambaa na michakato ya kuponya vilifuatiliwa kwa wakati halisi. Matokeo yanaonyesha kuwa kutokea kwa mgusano wenye mafanikio hakutegemei tu upanuzi wa kiwango cha juu, bali pia uratibu wa muda kati ya upanuzi na uunganishaji mtambuka.

Katika utafiti, viwango vya kupasha joto vya 1, 10, 20 na 30 °C·min⁻¹ pamoja na halijoto tofauti za kuponya kati ya 130–175 °C vilichunguzwa. Wakala wa upanuzi wa kimwili ulianza kukua haraka karibu na 140 °C, ukaonyesha tabia thabiti zaidi katika 150–160 °C, na katika halijoto za juu zaidi ukaonyesha kupungua kwa ujazo kunakohusishwa na kusinyaa kwa ganda na kupotea kwa vitu tete. Hasa katika pengo la 0,70 mm, kuongeza kiwango cha kupasha joto kuliongeza kwa kiasi kikubwa eneo linalogusana na kioo; uso uliosambaa ulikuwa %0,9 ± 0,3 kwa 1 °C·min⁻¹ na kufikia %98,6 ± 0,3 kwa 30 °C·min⁻¹.

Matokeo haya si kipimo cha moja kwa moja cha uimara wa kimitambo wa gundi. Mbinu ya hadubini huchunguza hasa upanuzi, mgusano na ubora wa kusambaa. Aidha, utafiti huu ni mahususi kwa gundi ya filamu ngumu ya BADGE/Dicy iliyochaguliwa na wakala wa upanuzi wa kimwili Unicell MS4600; kemia tofauti na mifumo ya gundi za kimiminika zinapaswa kuthibitishwa kando.

Tatizo la mapengo katika gundi za magari

Kuunganisha sehemu za metali kwa gundi ni mbinu muhimu ya uunganishaji katika uzalishaji wa magari inayokamilisha kulehemu na mbinu za kuunganisha kimitambo. Gundi za kimuundo zenye msingi wa epoksi zinaweza kutoa faida kama ustahimilivu wa kutu, uimara dhidi ya uchovu na usambazaji wa mzigo. Hata hivyo, wakati wa kuunda sehemu za bati, mapengo ya eneo fulani yanaweza kutokea katika muundo wa sandwichi wa metali/gundi/metali.

Mapengo haya yanaweza kuzuia gundi kugusana kikamilifu na uso wa upande mwingine. Upungufu wa mgusano unaweza kupunguza utendaji wa kushikamana na pia kuunda njia zinazopendelewa ambazo maji yanaweza kusafiria.

Mbinu iliyochunguzwa katika utafiti ni gundi yenye unene wa awali wa takriban 0,50 mm kupanuka kwa ujazo wakati wa kuponya ili kujaza mapengo makubwa zaidi.

Gundi inayopanuka kwa joto hufanyaje kazi?

Gundi inayopanuka kwa joto hujaza pengo kwa ukuaji wa mikrosfera za wakala wa upanuzi wa kimwili zilizoongezwa ndani ya matriksi ya gundi ya thermoset zinapopashwa joto; ndani ya mzunguko huohuo wa halijoto, mmenyuko wa uunganishaji mtambuka wa BADGE/Dicy huendelea na kufanya muundo uliopanuka kuwa mgumu. Ili kupata matokeo yenye mafanikio, upanuzi wa mikrosfera lazima utokee kabla mnato wa gundi haujaongezeka kupita kiasi.

Mfumo wa gundi wa BADGE/Dicy

Msingi mkuu wa kikemia wa formulesheni ni mmenyuko kati ya bisphenol A diglycidyl ether (BADGE) na dicyandiamide (Dicy). Dicy ilitumika kwa ziada ya moli 1,35 ikilinganishwa na thamani ya stoikiometria. Formulesheni ya kibiashara pia ina kichochezi chenye msingi wa urea kwa uwiano wa uzito wa %0,35 na kijazaji cha madini katika kiwango cha %10–15.

Katika utafiti, formulesheni mbili kuu zilifafanuliwa:

• TEAF: gundi inayopanuka kwa joto yenye wakala wa upanuzi wa kimwili.
• TEAFW: formulesheni ya kulinganisha isiyo na wakala wa upanuzi wa kimwili.

Ndani ya TEAF, uwiano wa PEA ni katika kiwango cha uzito cha %1–3. Filamu ni ngumu katika halijoto ya chumba, zina halijoto ya mpito wa kioo ya takriban 85 °C na unene wa awali wa 0,50 ± 0,03 mm.

Kwa sababu ya siri ya kibiashara, uwiano wote wa viambato haukuwekwa wazi. Kwa hiyo, ingawa utafiti una maelezo mengi ya kimbinu, hauruhusu uzalishaji upya wa kikemia wa formulesheni ya kibiashara kwa ukamilifu.

Wakala wa upanuzi wa kimwili

Unicell MS4600 PEA iliyotumika ina chembe ndogo za duara zenye mchanganyiko wa alkane kimiminika ndani ya ganda gumu la polima. Inapopashwa joto, kiini huvukiza na kupanua ganda la polima kuelekea nje.

Mwanzoni, kipenyo cha wastani cha mikrosfera ni takriban 15–20 µm. Kulingana na taarifa ya msambazaji, wakala unapaswa kuanza kupanuka karibu na 113–123 °C na kufikia ujazo wa juu karibu na 163–175 °C. Hata hivyo, katika uchunguzi wa hadubini wa utafiti, upanuzi wa haraka unaoonekana wazi ulionekana takriban katika 140–150 °C.

Tabia ya PEA kulingana na halijoto

Kwa 130 °C, mikrosfera zilibaki karibu na ukubwa wake wa awali hata baada ya dakika 25. Kwa 140 °C, ukuaji ulianza ndani ya dakika ya kwanza na kwa kiasi kikubwa ukafikia hali thabiti ndani ya takriban dakika tano.

Kwa 150 °C, kipenyo cha wastani baada ya dakika 25 kilifikia 92,72 ± 4,23 µm. Hii inaonyesha tabia yenye nguvu na thabiti ya upanuzi miongoni mwa halijoto za isothermal zilizochunguzwa.

Kwa 165, 170 na 175 °C, tabia tofauti ilionekana. Kipenyo cha wastani kilipanda hadi karibu 90 µm ndani ya dakika tano za kwanza na kisha kuanza kupungua. Baada ya dakika 25, kipenyo cha wastani kilikuwa:

• 81,94 ± 4,82 µm kwa 165 °C,
• 76,39 ± 6,10 µm kwa 170 °C,
• 66,55 ± 7,33 µm kwa 175 °C

kama kilivyopimwa.

Chanzo kinahusisha kupungua huku na kupotea kwa vitu tete vya ndani kupitia nyufa katika ganda au kwa usambaaji kupitia ukuta wa polima, pamoja na kusinyaa kwa ganda kadiri muda unavyopita.

Nini hutokea katika halijoto ya juu kwa muda mrefu?

Wakati wa kupashwa joto kwa saa 1 katika 175 °C, ilionekana kuwa sfera zilizopanuka zilikaribiana na kuonyesha coalescence huku maganda yakisinyaa. Kwa hivyo, mfumo uliokuwa na sfera zilizotengana mwanzoni unaweza baada ya muda kuwa muundo usio wa kawaida zaidi wenye sehemu zilizoungana.

Baada ya kupozwa, mikrosfera hazirudi kwenye ukubwa na usambazaji wake wa awali. Chanzo kinachukulia uchunguzi huu kama matokeo yanayoashiria asili isiyoweza kurejeshwa ya mchakato wa upanuzi.

Uunganishaji mtambuka wa gundi

Moja ya hatua kuu katika mmenyuko wa BADGE/Dicy ni Dicy kufungua pete ya oxirane kwenye BADGE. Mchakato huu huzalisha vikundi vya hydroxyl na baadaye athari mbalimbali za uunganishaji mtambuka zinaweza kutokea pamoja na vikundi vya nitrile.

Katika vipimo vya FTIR-ATR, kupungua kwa vilele karibu na 910 na 874 cm⁻¹ kumehusishwa na matumizi ya pete za oxirane. Baada ya kuponya, kuonekana kwa bendi mpya katika eneo la 1682–1686 cm⁻¹ na mabadiliko katika baadhi ya bendi nyingine kumehusishwa na kuundwa kwa muundo uliounganishwa mtambuka.

Chanzo kinapendekeza kuwa mabadiliko ya spektra yaliyoonekana katika formulesheni ya TEAF yanaweza kuwa sambamba na utaratibu unaoelekea kwenye vikundi vya urea vya mzunguko. Hata hivyo, tafsiri hii ni dhana ya utaratibu, na waandishi wanaeleza kuwa majaribio ya ziada kwa formulesheni isiyo na kichochezi yanaweza kuhitajika.

Kwa nini usawazishaji wa upanuzi na kuponya ni muhimu?

Usawazishaji wa upanuzi na kuponya ni muhimu kwa sababu wakala wa upanuzi wa kimwili lazima ukue wakati gundi bado ina mnato wa chini wa kutosha; ikiwa uunganishaji mtambuka utaendelea mapema sana, mnato utaongezeka na kuzuia ukuaji wa mikrosfera na ujazaji wa pengo na gundi, ilhali ugumu unaochelewa sana unaweza kuchelewesha uimarishaji wa muundo uliopanuka kwa wakati unaohitajika.

Athari ya kiwango cha kupasha joto kwenye tabia ya DSC

Vipimo vya DSC vilifanywa katika viwango vya kupasha joto vya 1, 10, 20 na 30 °C·min⁻¹. Kiwango cha kupasha joto kilipoongezeka, halijoto za kuanza na kilele cha kuponya zilisogea kuelekea halijoto za juu zaidi.

Ilipofikiwa 175 °C, viwango vinavyokadiriwa vya ubadilishaji kwa 1, 10, 20 na 30 °C·min⁻¹ vilihesabiwa kuwa %100, %55, %18 na %6 mtawalia. Matokeo haya yanaonyesha kuwa katika miteremko ya polepole, uunganishaji mtambuka huendelea katika halijoto za chini na mapema zaidi.

Katika hali ya 1 °C·min⁻¹, gundi huunganishwa mtambuka kwa kiasi kikubwa kabla PEA haijapanuka kwa nguvu. Kulingana na tafsiri ya chanzo, mnato unaoongezeka unaweza baadaye kuzuia ukuaji wa mikrosfera.

Katika hali za 20 na 30 °C·min⁻¹, upanuzi wa PEA hutokea karibu na 140–141 °C, huku mwanzo unaoonekana wa kuponya ukiwa 148 na 154 °C mtawalia. Kwa hivyo, upanuzi unaweza kuanza kabla matriksi ya gundi haijawa ngumu.

Athari ya halijoto ya kuponya isothermal

Katika hali za kuponya isothermal za 130, 140, 160 na 175 °C, muda wa kukamilika kwa uunganishaji mtambuka ulipungua kadiri halijoto ilivyoongezeka.

Kuonyesha kwa nyenzo zilizoponywa katika 130 na 140 °C halijoto ya chini ya mpito wa kioo na enthalpy ya chini ya mmenyuko kunaashiria kuwa katika hali hizi uunganishaji mtambuka unaweza kuwa umeendelea kwa kiwango kidogo kuliko katika hali za 160 na 175 °C.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Mpangilio wa hadubini ya macho

Ili kufuatilia upanuzi wa PEA, hadubini ya macho Olympus BX51 na kamera Olympus DP20 CCD zilitumika. Hadubini iliendeshwa katika hali ya transmission kwa kiwango cha ukuzaji kutoka ×50 hadi ×500.

Udhibiti wa halijoto ulitolewa kwa sahani ya kupasha joto LTS350 Peltier na moduli ya halijoto TP94. Mpangilio huu uliwezesha sampuli kuangaliwa moja kwa moja chini ya hadubini katika mteremko uliobainishwa wa halijoto.

Ukubwa wa chembe za PEA ulichambuliwa kwa ImageJ 1.54g, na kipenyo cha chembe 250 kilipimwa kwa mkono kwa kila hali.

Jaribio la gundi kati ya sahani mbili za kioo

Katika mbinu asilia ya uainishaji, kipande cha gundi ghafi chenye ukubwa wa takriban 10 × 10 × 0,50 mm na uzito wa takriban 0,05 g kiliwekwa kati ya vioo viwili vya hadubini.

Mikanda ya Teflon ilitumika kuunda pengo lisilobadilika kati ya vioo viwili na kupunguza athari za kingo. Kipande cha metali chenye matundu chenye uzito wa 24,4 g kiliwekwa juu ya kioo cha juu.

Urefu wa mapengo mawili ulijaribiwa:

• 0,50 mm,
• 0,70 mm.

Kwa kuwa unene wa awali wa gundi ghafi ni takriban 0,50 mm, katika mpangilio wa 0,70 mm kuna pengo halisi la ujazo na upanuzi lazima uzibe tofauti hii.

Mgusano wa uso ulipimwaje?

Katika picha za hadubini, maeneo ya gundi yanayogusana na kioo cha juu yanaonekana meusi, huku maeneo yasiyogusana yakionekana mepesi. Picha ziliongezewa contrast kwa ImageJ na eneo la mgusano likahesabiwa kwa asilimia kwa kutumia mbinu ya Huang thresholding.

Picha tano zilichambuliwa kwa kila sampuli.

Ni muhimu kusisitiza kwamba kipimo hiki si “uimara wa kushikamana”. Kigezo kinachopimwa ni uwiano wa uso unaogusana na kioo na hakipimi moja kwa moja uimara halisi wa muunganiko wa kimitambo.

Hatua zilizozingatiwa wakati wa kupasha joto

Chini ya hadubini ya macho, mabadiliko yafuatayo ya uso yalizingatiwa kwa mpangilio:

1. Mwanzo: muundo wa filamu ngumu.
2. Kutokea kwa pengo: Tg inapovukwa, nyenzo hulainika na mapengo huonekana kwenye uso.
3. Upanuzi: mikrosfera za PEA huanza kukua.
4. Hatua ya “Pop”: mpito ambapo PEA huonekana haraka kwenye uso.
5. Kusambaa: gundi inayopanuka hufikia kioo cha juu na eneo la mgusano huongezeka.
6. Uimarishaji/kuponya: muundo huwa mgumu kadiri uunganishaji mtambuka unavyoendelea.

Ulinganisho wa mapengo ya 0,50 na 0,70 mm

Katika hali ya kupasha joto kwa 20 °C·min⁻¹ na kuponya kwa dakika 25 katika 175 °C:

Katika mpangilio wa 0,50 mm, karibu mgusano kamili na uso wa kioo ulitokea. Katika pengo la 0,70 mm, mzunguko huohuo wa joto uliiruhusu gundi kugusana na takriban nusu tu ya uso.

Kiwango cha kupasha joto katika pengo la 0,50 mm

Isipokuwa kupasha joto polepole kwa 1 °C·min⁻¹, karibu mgusano kamili wa uso ulipatikana katika hali nyingine tatu.

Athari kubwa ya kiwango cha kupasha joto katika pengo la 0,70 mm

Mfululizo huu ni mojawapo ya matokeo yaliyo wazi zaidi ya utafiti. Katika pengo kubwa zaidi la 0,70 mm, eneo la mgusano liliongezeka kwa kiasi kikubwa kadiri kiwango cha kupasha joto kilivyoongezeka.

Katika hali ya 1 °C·min⁻¹, kwa sababu gundi iliunganishwa mtambuka mapema, mnato uliongezeka na upanuzi ukazuiliwa kwa kiasi kikubwa. Katika hali ya 30 °C·min⁻¹, upanuzi wa PEA ulitokea mapema zaidi, gundi ikafikia sahani ya juu katika halijoto ya chini zaidi na kutoa karibu mgusano kamili.

Kwa nini 150 °C ni muhimu kwa PEA?

Katika majaribio ambapo PEA ilichunguzwa yenyewe, hali isothermal ya 150 °C iliripotiwa kuwa mojawapo ya hali zenye ufanisi zaidi kwa upanuzi. Hata hivyo, halijoto ya kuponya ya viwandani ya mfumo wa marejeo wa gundi ni 175 °C.

Tofauti kati ya hali hizi mbili bora ndiyo tatizo kuu la kihandisi la utafiti: tabia bora zaidi ya wakala wa upanuzi wa kimwili na hali zinazohitajika za uunganishaji mtambuka wa matriksi ya thermoset huenda zisitokee katika halijoto moja.

Matokeo yanayoungwa mkono na utafiti

• Hadubini ya macho + mpangilio wa kupasha joto wa Peltier uliwezesha uchunguzi wa moja kwa moja wa gundi zinazopanuka wakati wa kuponya.
• Upanuzi thabiti wa PEA ulizingatiwa katika mfumo uliochunguzwa takriban katika 140–160 °C.
• Kupasha joto kwa muda mrefu juu ya 160 °C kuliongeza mwelekeo wa mikrosfera kusinyaa na kuanguka.
• Kiwango cha kupasha joto kilibadilisha halijoto ya kuanza kwa uunganishaji mtambuka na dirisha la mnato linalopatikana kwa upanuzi wa gundi.
• Katika pengo la 0,70 mm, kupasha joto haraka kuliongeza sana eneo la mgusano na kioo.
• Uratibu wa muda kati ya upanuzi na kuponya ni mojawapo ya vigezo muhimu vya utendaji wa kujaza pengo.

Je, mbinu hii hupima uimara halisi wa kushikamana?

Hapana. Mbinu ya hadubini iliyopendekezwa huainisha hasa tabia ya upanuzi wa gundi, uwezo wake wa kujaza pengo kati ya nyuso mbili na uwiano wa uso unaogusana na kioo cha juu; utafiti haufanyi kipimo cha moja kwa moja cha uimara wa kushikamana wa kimitambo wa aina ya shear, peel au tensile. Kwa hiyo, asilimia kubwa ya uso uliosambaa inaonyesha hali bora ya mgusano, lakini yenyewe si sawa na uimara wa mwisho wa muunganiko wa kimitambo.

Vikwazo

• Uwiano wote wa viambato vya formulesheni ya kibiashara haukuwekwa wazi.
• Tabia ya PEA ni mahususi kwa Unicell MS4600; mawakala wengine wa upanuzi wa kimwili wanaweza kuonyesha madirisha tofauti ya halijoto.
• Mbinu katika hali yake ya sasa inalenga gundi za thermoset katika umbo la filamu ngumu.
• Waandishi wanaeleza kuwa mbinu huenda isiweze kutumika moja kwa moja kwa mifumo ya epoksi kimiminika au polyurethane.
• Modeli ya sahani ya kioo haiwakilishi sifa zote za kikemia, kimitambo na kijiometri za nyuso halisi za metali za magari.
• Asilimia ya mgusano si kipimo cha moja kwa moja cha uimara wa kushikamana.
• Mbinu inahitaji kuthibitishwa katika familia pana zaidi ya formulesheni na mawakala wa upanuzi.

Maana ya matumizi

Thamani ya kihandisi ya mbinu hii ni uwezo wake wa kufuatilia moja kwa moja ni lini na vipi gundi inayopanuka hujaza pengo wakati mchakato wa kuponya unaendelea, badala ya kutazama tu muundo wa mwisho wa povu.

Mbinu hii inaweza kuwa na manufaa hasa katika uzalishaji wa miundo ya sandwichi ya metali/gundi/metali, kwa kulinganisha mizunguko ya joto ya gundi zinazopanuka zinazotumika kujaza mapengo yanayoweza kusababishwa na mchakato wa kuunda.

Maelezo ya Chanzo na Mbinu

Maudhui haya ya Verianla yaliandaliwa kwa kujitegemea kwa kutegemea utafiti ulioandaliwa na Florian Cavodeau, Sophie Bistac na Maurice Brogly wenye kichwa An Original Method to Characterize the Expansion of Thermally Self-Expandable Adhesive Thermoset Formulations Using Optical Microscopy.

Makala ilichapishwa katika jarida la Adhesives mwaka 2026, Juzuu 2, Makala 10. DOI: 10.3390/adhesives2020010. Tarehe ya kuchapishwa ni 2 Mei 2026. Mchapishaji ni MDPI, na utafiti ulichapishwa kwa ufikiaji wazi chini ya leseni ya Creative Commons Attribution (CC BY).

Utafiti unachunguza gundi ya filamu ngumu inayopanuka kwa joto yenye msingi wa BADGE/Dicy pamoja na wakala wa upanuzi wa kimwili Unicell MS4600. Tabia ya upanuzi ilifuatiliwa kwa hadubini ya macho na sahani ya kupasha joto ya Peltier; mchakato wa uunganishaji mtambuka uliainishwa kwa DSC na FTIR-ATR.

Mbinu ya uainishaji wa macho huchunguza moja kwa moja upanuzi wa gundi na eneo la mgusano katika mapengo yanayodhibitiwa ya 0,50 na 0,70 mm kati ya sahani mbili za kioo. ImageJ ilitumika kuchambua kipenyo cha chembe za PEA na uwiano wa uso unaogusana na kioo cha juu.

Utafiti si jaribio la moja kwa moja la uimara wa kimitambo wa kushikamana. Asilimia zilizotolewa kama “Spreaded surface” zinawakilisha eneo linalogusana na kioo cha juu. Kwa hiyo, uwiano wa mgusano na uimara wa mwisho wa muunganiko si ukubwa uleule wa kisayansi.

Utafiti ulifadhiliwa kwa sehemu na L&L PRODUCTS EUROPE SAS. Waandishi waliripoti kutokuwepo kwa mgongano wa maslahi. Ilielezwa kuwa data ghafi, ikiwemo video za hadubini, zinaweza kushirikiwa na watafiti kwa ombi.

Picha za hadubini ya macho, mikunjo ya DSC na michoro ya athari za kikemia iliyowasilishwa katika chanzo haikuchapishwa tena moja kwa moja katika maandishi haya. Data za nambari na mahusiano ya kimbinu yaliundwa upya kwa Verianla huku uaminifu kwa chanzo ukihifadhiwa.