The Effect of Chemical Surface Treatment and Epoxy Coating Technique on Bonding Strength

Abstract

Adhesive joints are a bonding method that allows two different types of materials to be joined, which is why it is frequently used in the automotive, marine, aerospace and aviation industries. There are two important factors that affect the strength of this bonding method. Therefore, in order to increase the strength of the adhesive joint, it is necessary to increase the adhesion ability of the adhesive to the adhered surface. For this reason, different types of surface treatments are applied to the adhered surfaces, increasing the adhesion ability of the adhesive to the surface. In the present study, the strength of the adhesive joints obtained by using the epoxy coating method was investigated in order to roughen the bonded surfaces by chemical surface treatment and better penetration of the adhesive into the micro-voids formed on the roughened surfaces. In the experimental study, AA2024-T3 aluminum was used as the adherend, two-component DP460 structural adhesive as the adhesive and the etching process in sodium hydroxide (NaOH) solution in five different times as the chemical surface treatment. In conclusion; The roughness value formed on aluminum surfaces by chemical surface treatment varies depending on the etching time, and the ideal roughness value was obtained with an optical microscope. The strength capacity of bonded joints on which etching has been applied increases significantly. However, the inability of the adhesive to penetrate the micro-voids formed on the surface due to the roughness limits the increase in the bond strength. For this reason, epoxy coating method has been applied to the surface in order for the adhesive to penetrate into the micro-voids, and as a result, the bond strength has been maximized.

Keywords

• Chemical etching
• Adhesive
• Epoxy coating
• Tensile test
• Joints /joining
• Strength

Kimyasal Yüzey İşlemi ve Epoksi Kaplama Tekniğinin Yapıştırma Bağlantı Dayanımına Etkisi

Abstract

Yapıştırma bağlantıları, iki farklı tür malzemenin birleştirilmesine olanak sağlayan ve bu nedenle otomotiv, denizcilik, uzay ve havacılık endüstrilerinde sıklıkla kullanılan bir birleştirme yöntemidir. Bu birleştirme yönteminin dayanımını etkileyen iki önemli faktör vardır. Bu faktörlerden biri yapıştırılacak yüzeyin özellikleri (yüzey pürüzlülüğü ve modifikasyonu) diğeri ise yapıştırıcının mukavemetidir. Bu nedenle yapıştırma bağlantısının dayanımını artırmak için yapıştırıcının yapıştırılan yüzeye tutunma kabiliyetinin artırılması gerekmektedir. Yapıştırılan yüzeylere farklı tür yüzey işlemleri uygulanarak, yapıştırıcının yüzeye tutunma kabiliyeti artırılmaktadır. Sunulan çalışmada, kimyasal yüzey işlemi ile yapıştırılan yüzeylerin pürüzleştirilmesi ve pürüzleştirilen yüzeylerde oluşan mikro boşluklara yapıştırıcının daha iyi nüfuz etmesi için epoksi kaplama yöntemi kullanılarak elde edilen yapıştırma bağlantıların mukavemeti incelenmiştir. Deneysel çalışmada yapıştırılan malzeme olarak AA2024-T3 alüminyum, yapıştırıcı olarak çift bileşenli DP460 yapısal yapıştırıcı ve kimyasal yüzey işlemi olarak ise beş faklı sürede sodyum hidroksit (NaOH) çözeltisinde dağlama işlemi kullanılmıştır. Sonuç olarak; kimyasal yüzey işlemi ile alüminyum yüzeylerde oluşan pürüzlülük değeri dağlama süresine bağlı olarak değişmekte olup en ideal pürüzlülük değeri optik mikroskop ile elde edilmiştir. Yüzeyine dağlama işlemi uygulanmış yapıştırma bağlantıların dayanım kapasitesi önemli ölçüde artmaktadır. Ancak pürüzlülükten dolayı yüzeyde oluşan mikro boşluklara yapıştırıcının nüfuz edememesi bağlantı mukavemetininin artışını sınırlamaktadır. Bu nedenle mikro boşluklara yapıştırıcının nüfuz edebilmesi için yüzeye epoksi kaplama yöntemi uygulanmış olup, bunun neticesinde bağlantı mukavemeti en ideal düzeye çıkarılmıştır.

Keywords

• Kimyasal dağlama
• Yapıştırcı
• Epoksi kaplama
• Çekme testi
• Eklemler/birleştirme
• Mukavemet

Thanks

Deneysel çalışma Erzurum Teknik Üniversitesi Yüksek Teknoloji Merkezi (YUTAM)’nde yürütülmüş olup, kurum yöneticilerine teşekkür ederim.

References

1. Akpinar S., Avinç Akpinar İ. Influence of carbon and glass fiber reinforced composite adhesive on the strength of adhesively bonded joints. Materials Testing 2023; 65(5): 802-814
2. Bayramoglu S., Akpinar S., Çalık A. Numerical analysis of elasto-plastic adhesively single step lap joints with cohesive zone models and its experimental verification. Journal of Mechanical Science and Technology 2021; 35(2): 641-649.
3. Çalık A., Akpinar S. Effect of extensometer usage on obtaining the force-displacement curve of the adhesively single lap join. European Mechanical Science 2019; 3(4): 142-146.
4. da Silva LFM., Carbas RJC., Critchlow GW., Figueiredo MAV., Brown K. Effect of material, geometry, surface treatment and environment on the shear strength of single lap joints. International Journal of Adhesion & Adhesives 2009; 29: 621–632.
5. Edwards KL. A brief insight into the selection and use of engineering adhesives for preliminary joint design. Materials and Design 1998; 19: 121-123.
6. Ghumatkar A., Budhe S., Sekhar R., Banea MD, De Barros S. Influence of adherend surface roughness on the adhesive bond strength. Latin American Journal of Solids and Structures 2016; 13: 2356–2370.
7. Grant LDR., Adams RD., da Silva LFM. Experimental and numerical analysis of single-lap joints for the automotive industry. International Journal of Adhesion and Adhesives 2009; 29(4): 405-413.
8. Higgins A. Adhesive bonding of aircraft structures. International Journal of Adhesion and Adhesives 2000; 20(5): 367-376.

9. Ines J., Sandra S., Markus W., Gerald P., Martin F., Wolfgang K. Chemical functionalization of composite surfaces for improved structural bonded repairs. Composites: Part B 2015; 69: 296–303.
10. ISO 10365. Adhesives-designation of main failure patterns. 1992(E).
11. Jianmin S., Helge P., Elisabeth S., Klaus D. Chemical pretreatment and adhesive bonding properties of high-pressure die cast aluminum alloy: AlSi10MnMg. International Journal of Adhesion Adhesives 2015; 61: 112–121.
12. Jianpeng L., Wei W., Yong Y., Hong H., Zhigang X., Congchang X., Luoxing L. Influence of raw material surface roughening on the lap shearing strength and failure behavior of adhesively bonded aluminum joints. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology 2022; 122: 327–342.