コンクリートとしてのエポキシナノコンポジットによる優れた機械的/接着性能の実現

Scientific Reports volume 13、記事番号: 9157 (2023) この記事を引用

メトリクスの詳細

コンクリート構造物に鉄筋を固定することは、建築および建設業界で一般的な方法です。この研究は、グリシドキシプロピルトリメトキシシラン (GPTMS) による SiO2 ナノフィラーの表面処理を使用して、調製されたエポキシナノ複合接着剤の機械的/接着特性を改善することに焦点を当てています。この目的のために、ナノシリカ粒子は、1、5、10、および20Xのシラン濃度で容易なゾルゲル法を介してシラン化されました（つまり、Xは化学量論的なシラン濃度です）。ナノ粒子は、FTIR、TGA、XRD、および XPS 技術によって注意深く特性評価されました。最高の GPTMS グラフト率は、シラン濃度 10 倍で得られることがわかりました。純粋なシラン化ナノ粒子を 2 液型エポキシ樹脂に添加し、引張特性と圧縮特性を比較しました。ナノシリカの表面改質により、強度、弾性率、圧縮強度、圧縮弾性率が元のエポキシ接着剤と比較して 56、81、200、および 66%、またエポキシ接着剤と比較して 70、20、17、および 21% 向上することがわかりました。純粋なナノシリカ含有接着剤。また、未使用および生のシリカ含有接着剤と比較して、それぞれ、引き抜き強度が 40 および 25%、引き抜き変位が 33 および 18%、接着エネルギーが 130 および 50% 向上しました。

コンクリートは、インフラストラクチャがあるところならどこでも見られる、最も価値のある建築材料の 1 つです1、2、3、4。鉄筋は、基礎と柱をネットワーク化するために補強材の形で使用されます5、6、7。また、基礎におけるもう 1 つの最も重要な用途の 1 つは、コンクリートの建設接合部を防ぐためのラビットの実装です8。構造物のコンクリートを補強するために、鉄筋はワイヤーで接続され、アンカーシステムがコンクリートにしっかりと配置されます9、10。

セメントと鉄筋の間の結合は、アンカーシステムの物理化学的挙動において重要な役割を果たします10、11。一般に、コンクリートの亀裂は、過負荷、温度変化、収縮によって生じる引張応力によって発生し、接続不良、鉄筋の滑り、アンカーの破損などを引き起こします12、13。セメントコンクリートにおける鉄筋の接着性を改善するために、鉄筋表面へのポリマー材料の適用（例：コーティング14、エポキシ樹脂15など）やコンクリート配合設計の変更（例：ナノ粒子16、繊維17など）など、多くの努力が行われてきました。）。

一般に、コンクリート接着剤は、エポキシベースとラテックス/ポリマーベースの 2 つのタイプに分類されます18。この種の材料は、コンクリートの修復、コンクリートのシール、コンクリートの物理化学的特性の向上、古いコンクリートと新しいコンクリートの接続に使用されます19。構造用接着剤の利点としては、構造の強化と材料間の接続の強化、湿った環境での使用、断面を持つ部材の接続、耐食性、迅速かつ簡単な実装などが挙げられます20,21。鉄筋またはボルトの植設は、建設業界で最も一般的に使用される方法の 1 つです。これには、構造の強化だけでなく、幅広い構造的および非構造的な接続が含まれます22、23。この出発点から言えば、接着特性を改善することは、金属とコンクリートの結合を強化して構造損傷を防ぐ最も効率的な手法です24。

現在、エポキシベースの接着剤は、高い接着強度、迅速かつ過剰な圧縮、湿気、海水、下水、石油材料に対する不浸透性、振動や構造応力に対する優れた耐性、および高い強度のため、鉄筋アンカーシステム用の最も人気のある接着剤です。機械的特性19,25。

1980 年以降、Bloxham 26、Van Gemert et al.27、Swamy et al.28 などの研究者は、エポキシ接着剤を使用した鋼鉄筋によるコンクリートの補強に関する研究を実施しました。

多くの科学者が接着バーとコンクリートの間の機械的および化学的挙動を研究してきました29,30。鉄筋の直径が大きいほど、コンクリートとの接合部での破損が大きくなることが判明しています。接合を良好にして脆性をなくすためには、鉄筋の長さを鉄筋の直径の 15 倍にする必要があります 31,32。

Zhao ら 33 は、エポキシ接着剤を使用して鋼鉄筋をコンクリート構造物に接着する方法を研究しました。この接着剤は鉄筋とコンクリートの両方に対して良好な接着強度を有し、システムの破壊は接着剤の界面で発生するが、エポキシ接着剤を使用するとアンカーシステムの延性が低下することが報告されています。

近年、接着剤の物理的および機械的特性を改善するために充填剤が使用されています34、35、36、37、38。充填材の種類、サイズ、特性が接着接合部の接着強度やコンクリートと鉄筋間の応力伝達に大きな影響を与えることが示されています39。 Szymanowski ら 40 は、接着剤に正方晶系結晶酸化チタンナノ粒子 (TiO2) を使用する効果と、層状セメント質複合材料の接着強度に及ぼすその効果を調査しました。結果は、接着剤に TiO2 ナノ粒子を 0.5 wt% 含めると、接着特性、耐摩耗性、引張強さ、硬度が向上することを示しました。 Ismael et al.41 は、鋼繊維で強化されたセメント質複合材料にナノ SiO2 と AL2O3 を使用しました。結果は、ナノ粒子の添加により、特にセメント含有量が高い場合に鋼とマトリックスの間の結合が増加することを示しました。 Al2O3 ナノ粒子を使用すると、クラックの発生も減少しました。 May ら 42 は、ゾルゲル法によりジグリシジルエーテルエポキシ樹脂を強化するために多層カーボンナノチューブ (MWCNT) を使用しました。その結果、ナノ粒子の存在により、エポキシ樹脂の接着特性と引張強度（最大 28.5 MPa）が向上することがわかりました。 Li ら 43 は、ゾルゲルプロセスを通じてシリカナノ粒子をポリメチルヒドロシロキサン (PMHS) で修飾し、それを材料の表面修飾に使用しました。結果は、生成された界面化学結合が表面の疎水性を強化することを示しました。充填剤と化学カップリング剤がコンクリートと鉄筋間の結合を強化できることが判明しました。エポキシ接着剤に対するマイクロおよびナノシリカ粒子の影響も調査されました。シリカ微粒子とその粒径がエポキシ接着剤の機械的特性と鉄棒への接着強度に影響を与えることが判明しました。しかし、シリカナノ粒子は特性の低下を引き起こし、これは有機マトリックス中で親水性ナノ粒子が凝集する傾向にあると考えられています44。

文献レビューに基づいて、固定接着剤におけるナノ粒子の使用はほとんど研究されていないことが判明した。さらに、ほとんどの場合、コンクリートと鉄筋間の接着強度のみが調査されており、接着剤の機械的特性に対する影響や、コンクリートと鉄筋の接着との関係は評価されていません。

これに基づいて、この研究ではシリカナノ粒子が費用対効果の高いフィラーとして選択されました。濃度の異なるエポキシ系シランカップリング剤を使用し、ゾルゲル法により表面改質しました。シラングラフト化は、FTIR、TGA、XRD、SEM、および XPS 分析によって評価されました。未処理のおよび表面改質されたヒュームドシリカを二液型エポキシ接着剤に塗布した。調製された純粋および修飾されたナノコンポジット接着剤の曲げ特性と圧縮特性が評価されました。鋼鉄筋をコンクリートに固定するには、(機械的特性に基づいて) 最良の接着剤が使用されました。接着剤サンプルの破断面の特性評価には、FE-SEM 分析が使用されました。最後に、純粋なナノ粒子と修飾されたナノ粒子がコンクリートと鉄筋の接着性能に及ぼす影響を研究しました。

この研究では、Nanya NPEL-128 エポキシ樹脂 (台湾) と硬化剤として Epikure F205 をバインダーとして使用しました。平均一次粒子サイズが 25 ～ 35 nm のヒュームドシリカナノ粒子が、エポキシ接着剤の補強ナノフィラーとして使用されました。グリシドキシプロピルトリメトキシシラン (GPTMS) (GLYMO、Evonic Company) を使用してヒュームドシリカの表面改質を行いました。無水エタノール (99.98%、Merck、ドイツ) を溶媒として使用しました。

まず、ナノ粒子の表面を修飾するのに必要なシランの最適量は、次の化学量論的関係によって計算されました45、46、47、48。

ここで、mGPTMS と MGPTMS は、それぞれ GPTMS の質量 (gr) と GPTMS の分子量です。 NAとnOHはそれぞれアボガドロ数と水酸基の数です。

この値は、GPTMS の分子量、ヒュームドナノ粒子の比表面積 (BET)、および TGA データによって異なります (サポート情報のセクション 1S を参照)。

スキーム 1 は GPTMS によるヒュームドシリカの表面処理プロセスを表します。この目的のために、0.5 g のヒュームドシリカを 70 g のエタノールに加え、30 °C で 1 時間超音波処理しました。その後、ＧＰＴＭＳ（すなわち、式１によって計算された含有量）をエタノール、水および酢酸（重量比０．１：０．０５）に添加して、ＧＰＴＭＳを加水分解した。加水分解溶液の最適ｐＨは、ゼータ電位分析によって決定された。この時点で、調製したヒュームドシリカのエタノール懸濁液をフラスコに注いだ。溶液を撹拌し、反応器に３０分間かけて滴下した。その後、溶液を４時間混合し、遠心分離した。沈殿物を分離し、アセトンで３回洗浄して、未反応のＧＰＴＭＳ分子を除去した。最後に、修飾ヒュームドシリカをオーブンで 90 °C で 12 時間乾燥させ、ナノ粒子表面上で GPTMS を凝縮させました。

GPTMSによるヒュームドシリカの表面処理プロセス。

グラフト率を高めるために、ナノ粒子もシラン濃度 5X、10X、20X で修飾されました (表 1 を参照)。

純正のエポキシ接着剤を調製するために、硬化剤を重量比 1:2 で樹脂部分に添加しました。混合物を穏やかに撹拌して、気泡の発生を抑制した。

ナノコンポジットサンプルを調製するために、ナノ粒子（すなわち、未加工または改質ヒュームドシリカ）を樹脂部分に添加しました（0.5、1、3、および5重量％）。この目的のために、ヒュームドシリカを n-ブタノールに添加し、28 °C、200 W (周波数 40 kHz) で 1 時間超音波処理しました。得られた懸濁液を樹脂に穏やかに加え、350 rpm で 30 分間ゆっくりと混合しました。懸濁液を樹脂に穏やかに塗布し、450 rpm でゆっくりと混合し、真空オーブンに入れて溶媒を除去しました。純粋なエポキシ接着剤サンプルと変性エポキシ接着剤サンプル (表 2 を参照) を調製するために、硬化剤を重量比 1:2 で樹脂ベースの部分に塗布し、穏やかに混合し 49、周囲条件に 10 時間放置しました。その後、固化した試験片を取り出し、後硬化のために 100 °C のオーブンに 5 時間入れました。

この研究の目的は、鉄筋をコンクリートに効果的に固定するためのエポキシ接着剤を調製することです。この目的のために、水対セメント (w/c) 比 1:1.89 のコンクリートを調製しました (表 3 を参照)。準備したコンクリートを円筒型に注入しました (サポート情報のセクション 2S を参照)。プラスチック棒（直径 1 cm、長さ 10 cm）を使用して、穴あけをせずにコンクリートにアンカー穴を形成しました。充填された型を周囲条件で 24 時間保持しました。その後、サンプルを水中に 28 日間入れて硬化させました。コンクリート試験片の硬化後、鋼鉄筋（直径 0.8 cm、長さ 20 cm）を穴（長さ 10 cm）の中心に挿入し、接着剤を穴の間の隙間（つまり厚さ 0.2 cm）に挿入しました。鉄筋とコンクリート壁。試験片を周囲温度に 14 日間置き、硬化させました。

ナノコンポジットの機械的特性と引抜き強度は、SANTAM STM150 Universal 機械を使用して測定されました。引張試験、曲げ試験、および圧縮試験は、ASTM D638、D790、および D695 試験方法に基づいて、それぞれ 5、2、および 1.3 mm/min の荷重速度で実施されました。各機械的特性を評価するために 3 つの試験片をテストしました。引抜き試験は、ASTM C900 試験方法に基づいて引張モードで実施されました。接着した鋼鉄筋とコンクリートのサンプルを鋼製固定具に配置し、鉄筋は上側グリップを使用して保持され、固定具は下側グリップを使用して一定に保たれました。試験は引張速度１０ｍｍ／分で実施した。鋼鉄筋は荷重中にコンクリートから徐々に外れます (サポート情報のセクション 3S を参照)。各サンプルの引き抜き接着力を評価するために 3 つの試験片をテストしました。

未加工および変性ヒュームドシリカのグラフト効率は、熱重量分析 (TGA) (スイスの Mettler-Toledo Co.) によって測定されました。 FTIR は TENSOR 27 によって行われ、ナノ粒子と GPTMS の化学構造を特定しました。 XPS は ESCALAB 250 システム (ESЄA System, USA) によって実行されました。未加工および改質ヒュームドシリカの粒子サイズと形態は、電界放射型走査型電子顕微鏡 (FE-SEM) (日立、日本) によって検査されました。未加工および改質ヒュームドシリカのＸ線回折（ＸＲＤ）は、ＢｒｕｋｅｒＡＸＳ回折計Ｄ８（ウィスコンシン州マディソン）によって測定した。

動的機械熱分析 (DMTA) を使用して、ナノ複合エポキシの粘弾性挙動を調査しました (Netzsch Co.、ドイツ)。ヒュームドシリカの水接触角 (WCA) は、(UI-1220LE-M-GL、IDS-ドイツ) を使用して測定されました。

ゼータ電位の評価により、異なる pH での粒子の表面電荷を調査しました。ゼータ電位がより負であるほど、ナノ粒子表面の負電荷がより多く、水性溶媒中での安定性および分散性がより良好であることを示す。これに基づいて、pH 2、5、7、9 の異なるサンプルを調製し、それらのゼータ電位を測定しました (図 1 を参照)。

さまざまな酸性条件におけるナノシリカのゼータ電位。

結果は、pH 7 でナノシリカの最も負の電荷が達成されることを示しました。これは、シラン化の準備ができているヒュームドシリカ表面に多数の OH 基が存在することを確認します。これに基づいて、この pH がシラン化ステップに最適な条件として選択されました。

図 2a は、シラン化シリカと未加工シリカの TGA 結果を示しています。図に示すように、すべてのサンプルは最初の領域で大きな重量損失を示し、これは吸着された H2O の除去に関連しています。この領域では、シラン化プロセス中の水分吸収が多いため、修飾ナノ粒子の重量損失は純粋なナノシリカよりも大きかった。 2 番目の領域では、すべての修飾ナノ粒子が大きな重量損失を示しましたが、これはグラフト化 GPTMS の分解に関連していました。この領域における未加工シリカの重量損失は、OH 基の脱ヒドロキシル化に相当しました。この領域での最大の重量損失は、シラン化シリカ (つまり、NS-G-10X サンプル) で得られました。これに基づいて、このサンプルは将来のプロセスに最適なシラン処理として選択されました。図 2b は、生のシリカナノ粒子とシラン処理されたシリカナノ粒子の FTIR スペクトルを示しています。生シリカのスペクトルでは、961、1528、および 1630 cm-1 のピークは O-H の曲げ振動に起因すると考えられました。 3450 cm-1 付近の幅広いピークは、O-H 基の伸縮振動に関連していました。これに基づいて、ナノ粒子の表面には、共有結合ヒドロキシル基、物理吸着ヒドロキシル基、二重塩基ヒドロキシル基の 3 種類のヒドロキシル基が存在します。

(a) 未加工シリカおよびシラン化シリカの TGA 曲線、(b) GPTMS、未加工シリカおよびシラン化シリカの FT-IR 分光分析。

修飾シリカナノ粒子では、1630 cm-1 の OH 基の曲げ振動ピークが消失し、3450 cm-1 のピークが弱まりました。これは、GPTMS の加水分解中の表面 OH 基の消費に起因すると考えられます。さらに、1109、805、および475 cm-1のピークは、それぞれSi-O-Siの非対称、対称、および曲げ振動に関連していました。 GPTMS のスペクトルの 2800 ～ 3000 cm-1 のピークは、CH および CH2 グループの伸縮振動に関連していました。これらのピークは修飾されたナノ粒子に再び現れ、GPTMS 分子のグラフト化が成功したことを確認しました。逆に、それらは無機的な性質のため、生のナノ粒子のスペクトルには見られませんでした。修飾ナノ粒子のスペクトルでは 10 倍の濃度でピークが強化されており、このサンプルの GPTMS グラフト率が高いことが確認されました。結果は、TGA 所見と良好な相関関係がありました。便宜上、10Xの濃度で修飾されたナノ粒子を、今後NS-G-10Xではなく修飾ナノシリカ(すなわちMNS)と呼びます。 TGAの結果を表4に示します。

XRD分析を使用して、未処理および修飾されたナノ粒子の結晶相を検出しました（図3を参照）。ピークの位置が移動していないことは明らかですが、22°に位置する幅広いピークは、すべてのナノ粒子が非晶質構造であることを示しています。ナノ粒子の表面修飾はその結晶相に影響を与えていないことが判明した。結晶のサイズも Scherrer 式 48、50、51 に従って計算され、未処理シリカおよびシラン化シリカについては 17.01 nm および 16.97 nm でした。この結果は、GPTMS による修飾後の結晶サイズの減少が無視できるほどであることを示しています。

未加工および改質シリカフュームの特性評価; (a) XRD 分析および (b) XPS 分析。

未加工および表面最適シラン処理シリカの XPS スペクトルを図 3 に示します。C1s、O1s、および Si2p のナロースキャンスペクトルを使用して、表面元素の化学環境の変化を測定しました。結果は、指示薬のピークが強化されたため、ナノ粒子表面への GPTMS のグラフト化が成功したことを確認しました。さらに、純粋なサンプル中に共存する Si2p (102.8 eV) と Si2s (156.3 eV) のピークは、シリカ構造のシラノール基に関連していました。しかし、修正サンプルでは、ナノ粒子表面にシラノール層を形成するシラン分子の凝縮により、これらのピークが強化されました。 XPS データを表 5 に示します。

図 4 は、未加工シリカとシラン化シリカの FE-SEM 写真を示しています。純粋な SiO2 ナノ粒子のサイズは 25 ～ 30 nm の範囲でした。純粋なナノフィラーの凝集傾向は、表面 OH 基間のヒドロキシル結合により観察できます。エポキシベースの GPTMS でシリカを表面処理すると、グラフト化シランの立体安定化により粒子サイズが 20 ～ 25 nm に減少しました。

FE-SEM撮影; (a1、a2) 未処理のシリカ、および (b1、b2) シラン処理されたナノ粒子。

原料シリカを 4 つの異なる濃度で樹脂部分に添加しました。ナノ複合材料を成形して試験片を調製した。硬化後、試験片は引張、曲げ、圧縮試験を受けました。図 5 に結果を示します。

純粋なナノシリカの (a) 引張特性、(b) 曲げ特性、(c) 強度および弾性率特性、および (d) 異なる割合のエポキシナノ複合材料を含む修飾ナノシリカの引張特性、(e) 曲げ特性、および (f) 圧縮特性ナノ粒子。

結果に基づくと、1wt% の生シリカを含むサンプルは、他のナノコンポジットの中で最も高い引張特性、曲げ特性、および圧縮特性を示しました。純粋なナノフィラーの充填量が高くなると、粒子の凝集が発生し、機械的特性の低下を引き起こすと結論付けられました。これは、FE-SEM 解析の結果を裏付けています。

修飾されたナノ粒子もエポキシ樹脂に１重量％で添加された。結果を図５にも示した。引張特性が向上していることがわかる。これは、グラフト化シラン基の妨害によって調製されたナノ粒子の立体的安定化により、エポキシマトリックス中でのシラン化シリカフュームのより良好な分散に起因すると考えられる 47,48。シラン化シリカフュームは曲げ特性には影響を示さなかったが、エポキシサンプルの強度と弾性率特性に大幅な増加を引き起こした。結果は、FE-SEM および XRD 分析の結果と良好な相関関係がありました。

図 6 は、2 つの倍率 (つまり 10 µm と 500 nm) でナノコンポジットの破断面から作成された FE-SEM 画像を示しています。大きな凝集体（つまり、サイズ 100 nm ～ 2.5 μm）が未処理のシリカ含有サンプルに見られました（図 7a を参照）。これは、エポキシマトリックス内で凝集を引き起こすシリカフュームの親水性によるものと考えられます。これは、エポキシマトリックス中での親水性シリカフュームの分散が不十分であることを示しています。シリカフュームの表面処理後、かなり均一な分散と小さなサイズの凝集体（最大 100 nm）が見られました。これは、グラフト化 GPTMS によって実現されるシリカフュームの立体安定性に起因すると考えられます。さらに、修飾されたナノコンポジットの破断面では川のような線が増加し、エポキシマトリックスとシラン化ナノ粒子の間の相互作用の改善が確認されました 37,46,48。

FE-SEM撮影; (a1、a2) 未処理のエポキシナノ複合材料と (b1、b2) 修飾されたエポキシナノ複合材料。

ナノコンポジットの機械的特性; (a) 貯蔵弾性率および (b) Tan δ。

ナノ複合材料の動的機械的挙動とナノ粒子表面化学との関係を DMTA 分析によって調査しました。図 7a は、温度に対するストレージモジュールの曲線を示しています。結果は、ナノ粒子のシラン化がナノ複合材料の貯蔵弾性率の増加につながることを示しました52。これは、ナノ粒子とエポキシマトリックス間の界面相互作用が改善されたことに起因すると考えられます。これによりチェーンの動きが制限され、マトリックスの剛性が高まります。サンプルのガラス - ゴム転移温度 (Tg) (tanδ 曲線のピーク温度から導出) はわずかな増加を示し、エポキシマトリックスへのナノ粒子の付着によりマトリックス内のネットワーク形成が改善されたことが確認されました (図 7b および表 6 を参照)。

純粋なナノ粒子がエポキシポリマーの貯蔵弾性率の低下を引き起こすことも観察され、これによりポリマーマトリックスと純粋なナノ粒子との間の弱い界面相互作用が確認された。これは、フィラーとポリマーの弱い界面相互作用に関連していました47,53。しかし、硬化した未使用のサンプルの Tg と Tan δ には影響しませんでした。これは、硬化した樹脂の高い架橋密度とその脆い挙動に起因すると考えられます。

未処理のエポキシおよびナノコンポジットサンプルの WCA を測定し、その結果を図 8 に示します。純粋なナノシリカを含めることにより、エポキシサンプルの親水性が増加したことが明らかにわかります。逆に、修飾されたナノ粒子は、元のエポキシよりもエポキシナノ複合材料の疎水性をさらに高めました。これは、親水性エポキシド基の効果を打ち消す GPTMS 構造内のプロピル基とエチル基の存在に起因すると考えられます。

(a)未処理のエポキシ、(b)エポキシナノ複合材を含む未加工シリカ(1重量%)、および(c)エポキシナノ複合材を含む修飾ナノシリカ(1重量%)の水接触角。

図 9 は、未使用のエポキシ接着剤とナノコンポジット接着剤によるコンクリート試験片のアンカー鉄筋の引き抜き試験の結果を示しています。結果は、シラン化シリカフュームをエポキシベースの接着剤に組み込むことによって、引き抜き強度と変位 (すなわち、靭性) が信じられないほど増加したことを示しました。これは、ナノ粒子が均一に分散したナノ複合接着剤を調製する修飾シリカフュームとエポキシ鎖との間の良好な相互作用に対応していた。これにより、ナノ粒子がコンクリートのマイクロ/ナノ細孔や亀裂に拡散し、鉄筋とコンクリートの機械的結合が増加しました。これは、応力を減衰する能力を高める改質ナノコンポジットの高い靭性にも関連していました。

固定システムの引き出し特性。 (a) 強度/変位、および (b) 引き抜きエネルギー。

エポキシ樹脂にヒュームドシリカを使用した場合、接着性に影響は見られませんでした。これは、効果を打ち消すサンプル内で発生した 2 つの異なる現象に関連していました。一方で、シリカフュームはエポキシ接着剤の機械的特性を改善しました。一方、エポキシ樹脂とコンクリート/鋼表面の界面で凝集したナノ粒子は有効接触面積を減少させ、引き抜き応力下で微小な亀裂や破壊の発生を引き起こす可能性があります。

サポート情報の図 4S は、接着剤の引抜き荷重と変位の比較曲線を示しています。鉄筋が穴から完全に抜けているのがはっきりとわかります。最高端変位量は8mm未満です。

図9bは、接着剤の接着エネルギー/靱性を示しています（つまり、引抜き荷重-変位曲線の測定面積に基づいています）。純粋なシリカナノ粒子が元の接着層の靭性を向上させたが、修飾されたナノ粒子がそれを信じられないほど強化したことは明らかである。

改質ナノコンポジット接着剤のコンクリート/鉄筋表面への接着強度の大幅な増加は、その異なる接着メカニズムに対応しているはずです。シラン化シリカフュームの表面に存在するエポキシド基は、硬化剤のアミン基と直接反応する可能性があります。また、硬化反応によってエポキシド環が開くことによって生成される OH 基にも反応する可能性があります。これらの共有結合により、接着剤の靭性と強度が向上します (図 10a を参照)。改質接着剤の疎水性により、親水性コンクリートの水分交換中に通常起こるコンクリートと接着剤の界面での水の蓄積が防止され、界面相互作用が減少します54。

(a) 共硬化プロセスによる修飾ナノ粒子のエポキシ樹脂への結合メカニズムの概略図、(b) さまざまなサンプルのコンクリートから引き抜かれた鉄筋の表面の画像、(c) 鉄筋から分離されたコンクリート表面の表面画像。

これに基づいて、改質接着剤は水（すなわち鋼腐食剤として）の拡散に対する抵抗により鋼鉄筋の腐食速度を低下させることができると主張できる。図 10b は、引き抜かれた鉄筋表面の画像を示しています。未使用の接着剤がコンクリート相で凝集欠陥を示したことが明らかに見られます。これは、コンクリートバルクの強度が鉄筋・接着剤・コンクリート系の接着強度よりも低いことを意味する55。

逆に、エポキシ接着剤に純粋なナノシリカを使用すると、凝集欠陥が接着剤層に転写され、接着剤の強度が低下することがわかりました。修飾されたナノ粒子により、鉄筋とコンクリートとの接着界面相互作用が改善されました。また、隣接するコンクリート層も強化されました（つまり、引き抜き試験後に鉄筋に付着したコンクリートの体積が増加したコンクリートの表面亀裂および細孔への拡散による）。

図 10c は、コンクリートの表面にいくつかの元の状態の接着パッチが存在することを示しています。これは、コンクリートよりも鋼表面への接着力が優れていることを意味します。対照的に、シリカフュームを含む接着剤を使用した場合には、コンクリート表面にはるかに多くの接着パッチが見られ、これは接着層の強度の弱さによる凝集破壊を意味します。改良された接着剤を使用した場合、接着剤層の代わりにコンクリートバルクの界面接着力と凝集破壊が改善されたために、コンクリート表面に巨大な溝が現れました。

この研究では、コンクリートに鉄筋を固定するためにナノ SiO2 エポキシ接着剤が調製されました。ナノ粒子は、まずエポキシベースのシランを使用して表面改質され、エポキシバインダーとの界面相互作用が強化されました。接着性能の評価として、引き抜き接着試験を実施した。結果に基づいて、次の結論が得られました。

最高のシラングラフト含有量は、シラン濃度 10 倍 (つまり、化学量論的濃度の 10 倍) で達成され、表面修飾はナノ粒子の結晶相に影響を及ぼさないが、サイズは減少することがわかりました。

ナノシリカの表面改質により、未使用のエポキシおよび純粋なナノ粒子を含むエポキシ接着剤と比較して、エポキシフィルムの WCA がそれぞれ約 19 % および 67% 増加しました。また、修飾されたナノコンポジット接着剤の性質も親水性から疎水性に変化しました。

純粋なナノシリカ (1 wt%) をエポキシマトリックスに添加すると、引張強度、引張弾性率、圧縮強度、圧縮弾性率が 56、81、200、66% 増加し、それぞれ 56、81、200、66% 改善されました。

エポキシ接着剤に 1 wt% の修飾ナノシリカを組み込むと、純粋なナノシリカを充填したエポキシ接着剤と比較して、引張強度、引張弾性率、圧縮強度および圧縮弾性率が 70、20、17、および 21% 増加しました。

修飾されたナノシリカは、接着剤を含む純粋なエポキシおよび純粋なナノシリカと比較して、エポキシナノ複合材料の貯蔵弾性率をそれぞれ 16 ％および 43％増加させました。また、損失関数 (tanδ) もそれぞれ 6% と 10% 増加しました。

エポキシマトリックスに表面改質ナノシリカを使用すると、元のエポキシおよび純粋なナノシリカを含む接着剤と比較して、引き抜き強度が約 40 および 25% 向上し、引き抜き変位が 33 および 18% 増加しました。接着エネルギーは、純粋なエポキシナノコンポジットおよび未使用のエポキシ接着剤と比較して、最大 50% および 130% まで強化されました。

すべてのデータが利用可能であることが確認されています。これらの発見を再現するために必要な生/処理されたデータは共有できます。

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イラン科学技術大学 (IUST)、テヘラン、イランの化学・石油・ガス工学部、構造ポリマーおよび複合材料研究室

レザ・ガマルプール、マスード・ジャムシディ、マジッド・モハマドプール

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RG: 概念化、方法論、調査、データキュレーション、執筆—原案。 MJ: 概念化、方法論、検証、リソース、データのキュレーション。 MM: 方法論、調査。

マスード・ジャムシディ氏への通信。

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転載と許可

Ghamarpoor, R.、Jamshidi, M.、Mohammadpour, M. ナノ SiO2 のシラン修飾を使用したコンクリート - 鉄筋接着剤としてのエポキシナノコンポジットにより、優れた機械的/接着性能を達成しました。 Sci Rep 13、9157 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-36462-0

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受信日: 2023 年 3 月 28 日

受理日: 2023 年 6 月 4 日

公開日: 2023 年 6 月 6 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-36462-0

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