بخشی از مقاله
بررسی روشهای چقرمهسازی رزین اپوکسی
چکیده
رزین اپوکسی یکی از پرکاربردترین رزینهای در صنایع مختلف اسـت. رزیـن اپوکسـی دارای یـک محـدودیت در زمان استفاده میباشد، که این محدودیت به خاطر چقرمگی شکست و انرژی شکست پایین رزین اپوکسی پـس از پخت میباشد. از این رو چقرمهسازی اپوکسی همواره یکی از مورد توجهترین کارهایی بـوده کـه بـر روی افـزایش خواص اپوکسی صورت پذیرفته است. در این فرایند ممکن است در ضمن افزایش خواص شکسـت، خواصـی چـون مدول و استحکام دچار افت گردند؛ که در این کار علاوه بر معرفی روشها چقرمهسـازی اپوکسـی بـا معرفـی ایـن چقرمهسازها، روشهای دیگری که این محدودیت را ندارند نیز معرفی میشود. از سوی دیگر به مزایا و معایب ایـن روشها نیز پرداخته میشود. در ادامه این اهداف نیز به نانو ذارت و اهمیت آنها در چقرمهسازی اپوکسی پرداخته میگردد.
واژههای کلیدی
چقرمگی شکست، انرژی شکست، مکانیزمهایی شکست، نانو ذرات، تقویت کنندهها
-1 مقدمه) یکی از مهمترین رزینهای ترموست مورد استفاده، رزین اپوکسی است که دلیـل آن بـه واسـطه چسـبندگی بـالا،
استحکام، مدول، سختی بالا و سایر خواص پر کاربرد آن میباشد. از این رو در صنایع مختلـف عـم از نظـام و غیـر نظامی کاربرد دارد. از جمله کاربردهای عملیاتی آن در چسبهـا و رزیـن مـورد اسـتفاده بـه عنـوان مـاتریس در کامپوزیتها تقویت شده با الیاف میباشد. اگر چه سیستم پخت اپوکسی دارای محدودیت بزرگ اسـت کـه شـامل شکنندگی، چقرمگی شکسـت پـایین و مقاومـت کـم در مقابـل شـروع و گسـترش تـرک دارد. شـکنندگی ذاتـی کاربردهای آن را در زمینههایی که به انرژی شکست بالا، از جمله رزین ماتریسی در کامپوزیت تقویـت پلاسـتیک-ها، نیاز دارد را محدود میکند. بنابراین در دههها اخیر توجه زیادی به ارتقاء چقرمگی شکست اپوکسی با اسـتفاده از ذراتی مانند رابرها [6-1]یا ترموپلاستیکها [9-7] شده است؛ امـا اسـتفاده از ذرات رابـری و ترموپلاسـتیکهـا ممکن است منتج به افت خواص مکانیکی اساس مانند مدول، استحکام و دمای انتقال شیشهای شود. از ایـن رو از ذرات معدنی با ابعادی در حدود 4 تا 100 میکرومتر مانند سیلیکا، الومینا و ذرات شیشهای استفاده شده است.
در سالهای اخیر تکنولوژی جدیدی برای افزایش خواص مکانیکی چنین پلیمر ترموستی مورد استفاده قرار گرفته است. این روش شامل استفاده از ذراتی با ابعاد نانو مانند سیلیکا، نانو کلی، نانو لولههـا کربنـی در داخـل پلیمـر و رزین میباشد. این مواد میتوانند علاوه براین که چقرمگی شکست را افزایش مـیدهنـد خواصـی چـون مـدول و استحکام را در رزین اپوکسی افزایش دهند.[15-10 ,2] در این کار با در نظر گرفتن تمامی این موارد بـه بررسـی این چقرمهکنندهها و اهمیت نانو ذرات در این فرایند پرداخته میشود. از سـوی دیگـر در حـین معرفـی تقویـت-کنندهها بعضا مکانیزمهای که به واسطه آنها چقرمهسازی صورت میپذیرد معرفی میشود.
روشها کابردی در چقرمهسازی اپوکسی
-1 استفاده از تقویت کنندهها
-1-1 لاستیک مایع
این دسته، از کوپلیمرهای بر پایهی بوتادیان- آکریلونیتریل رابر تشکیل شده است که گروههای مختلف عاملی بـه انتهای آن متصلاند. بزرگترین نقص این دسته از تقویت کنندههـا پـایین آوردن خـواص اولیـه اپوکسـی از جملـه دمای انتقال شیشهای، مدول و تنش تسلیم است. از معروفترین تقویت کنندههای این دسته میتوان بـه CTBN اشاره کرد که علاوه بر مشکلات ذکر شده، پایداری کمی در برابر اکسیداسیون در هنگام اختلاط دارد.[6] نمونـه-های دیگری از این دسته عبارتند از ATBN: ، ETBN ، CTBN،.HTBN اما از نظر افزایش چقرمگی اثرات مثبت بسیار زیادی دارند. دلیل این افزایش بخاطر ایجاد مکانیزم تغییر فرم پلاستیک به علت برهم زدن نظـم سـاختاری اپوکسی است؛ از سوی دیگر خود ساختار لاستیک انرژی شکست را در خود ذخیره میکند و مانع از انتقال انـرژی شکست به اپوکسی میشود. همچنین در اثر حضور این لاستیکها مایع در ساختار امکـان بـروز مکـانیزم پـلزدن افزایش پیدا میکند.
-2-1 ترموپلاستیکها
ترموپلاستیکها مهندسی به دلیل داشتن انعطاف پذیری، پایداری شیمیایی و حرارتـی و دمـای انتقـال شیشـهای بالا، موجب بالا رفتن چقرمگی میشوند. با این حال فرایندپذیری دشوار(دمای ذوب بـالا) و همچنـین سـازگاری و چسبندگی پایین به ماتریس اپوکسی، از معایب آنها محسوب میشود. از جمله تقویت کنندههای ایـن گـروه مـی-توان به به موارد زیر اشاره کرد:[16]
Poly(Ether Sulfone) (PES), Poly(Ether Imides) (PEI), Polyaryletherketones (PAEK), Hydroxyl-Terminated PSF, Poly (Ether Ketone) (PEK), Amineterminated polysulfone (PSF) ×
پلیاتیلن گلیکول((PEG پلیمر دیگری است که توسط زواره و همکارن برای چقرمهسـازی اپوکسـی بـه کـار رفتـه است. آنها در کارشان ازPEG با وزن مولکولی پایین با ترکیب درصد مختلف تا حداکثر10 درصد وزنـی اسـتفاده کردهاند. نتایجی گزارش شده بیانگر افزایش 5/7 برابـری در انـرژی شکسـت و 5/4 برابـری در چقرمگـی شکسـت است. این در حالیست که استحکام کششی و مدول کششی با افتاد اندکی همراه بودهاند.[17]
-4-1 ذرات آلی معدنی
ذرات آلی معدنی به صورت انواع میکرو و نانوذرات مثل سیلیکا، دانههـای شیشـه، هسـته- پوسـتههـا و همچنـین خاکسترها و تریهیدرات آلومینیوم، جز این دسته محسوب میشوند.[18] نکتهای که در مـورد هسـته- پوسـتههـا میبایست یاد آور شد این است که اولا هرچه جز هسته نرمتر و جز پوسته، سـختتـر گـردد، چقرمـه کننـدههـای قویتری خواهیم داشت (عکس این موضوع در کاربرد هسته – پوستهها در پوشش و چسب ها باید برقـرار باشـد). ثانیاً ضخامت پوسته، مهمترین عامل در تعیین چقرمگی است.[17]
اعم نانو ذراتی که در طی دو دهه اخیر به منظور اصلاح خواص شکست رزین اپوکسی در مطالعات مطرح شدهانـد، بر اساس شکل هندسی میتوان به سه دسته کلی نانو ذرات صفحهای مانند نانو خاکرس، نانو ذرات کـروی ماننـد نانو سیلیکا، نانو دی اکسید تیتانیوم و نانو ذرات لولهای مانند نانو لولههای کربنی تک جـداره، چنـد جـداره و نـانو لولههای کربنی فنجانی تقسیم بندی نمود. در ادامه به بررسی اثر به کارگیری این نانوذرات در پژوهشهای صورت گرفته و مطالعات مختلف پرداخته میشود.
سیستمهای دو جزئی و سه جزئی حاوی نانو ذرات صفحهای خاکرس
وارد کردن ذرات نانو خاکرس خصوصـیات مکـانیکی (اسـتحکام کششـی و مـدول)، خصوصـیات فیزیکـی (نفـوذ ناپذیری و خواص ضد رطوبتی) و خواص حرارتی (تجزیه و افت جرم) کامپوزیتهای پلیمری را افـزایش مـیدهـد. برای کامپوزیتهای تقویت شده با الیاف، افزودن نانو خاک رس همچنین باعث بهبود در خواص کامپوزیتها مـی-گردد.
در مرجع [19] مدول کششی به طور قابل توجهی با افزودن %3 وزنـی نـانو خـاک رس، از 1/1 گیگـا پاسـکال بـه 3/59 گیگا پاسکال افزایش یافت. همچنین استحکام کششی از 61/1 مگا پاسکال تـا 66/3 مگـا پاسـکال افـزایش یافت. در مرجع [20] نشان داده شده که استحکام ضربهای نانوکامپوزیت حاوی %5 نـانو خـاک رس از 0/7 کیلـو ژول بر مول به 1/1 کیلو ژول بر مول افزایش پیدا کرده است. در مرجع[21] استحکام تسلیم فشاری نانوکامپوزیت با محتوی کمتر از 3 phr نانو ذرات خاک رس به آرامی افزایش پیدا کرد. هرچند که مـدول فشـاری بـا 9 phrنـانو ذرات خاک رس بیشتر از %20 افزایش یافت. در ادامه این نتایج، فاکتور شدت تنش بحرانی K IC و سرعت انـرژی رهایی GIC با 4/5 phr نانو خاک رس به ترتیـب 2/2 برابـر و 5/8 برابـر گردیـد.در مرجـع [22] یـک مـدل بـرای محاسبه افزایش چقرمگی شکست بر مبنای میزان سطوح بین سطحی ارئه شد. این مدل نشان مـیدهـد کـه یـک مقدار بهینه کسر حجمی از نانو ذرات خاک رس وجود دارد که بیشترین افـزایش در چقرمگـی شکسـت را فـراهم میکند، این امر به میزان و نحوه پراکندگی نانو ذرات بستگی دارد.
شکل((1 نشان میدهد که نمونههای حاوی نانو ذرات خاک رس در مقایسه بـا نمونـههـای فاقـد آن، بـالاتری دارند. مقادیر اولیه GIC برای رزیـن خـالص، رزیـن حـاوی 2phr و رزیـن حـاوی 4phr نـانو ذرات خـاک رس بـه ترتیب101/1 ژول بر متر مربع، 154/3 ژول بر متر مربع و 187 ژول بر متر مربع مـی باشـد. بـا افـزودن نـانوذرات چقرمگی شکست بین لایه ای با افزایش2phr و 4phr نانو ذرات خاک رس به ترتیب 53٪ و 85٪ افزایش یافت.
میرمحسنی و همکاران به بررسی خصوصیات ضربهای سیستم سه جزئی اپوکسی، نانو خاک رس و کوپلیمر اکریلونیتریل بوتادی ان استایرن1پرداختند. هدف اصلی این کار، استفاده همزمان از مزایای ترموپلاستیک و خاک-رس با هدف دستیابی به موادی با مقاومت ضربهای بالاتر نسبت به اپوکسی/ خاک رس و هیبرید اپوکسیABS / همچنین کاهش قیمت نهایی ماده تهیه شده میباشد. در نمونههای با میزان درصد یکسان از نانو خاک رس، با افزایش ABS تا 4phr مقاومت ضربه افزایش مییابد و این مقومت با افزودن بیشتر ABS کاهش مییابد. چنانچه در بالا اشاره شد، رفتاری مشابه برای سیستم / ABSاپوکسی مشاهده میشود. در هر سری از نمونهها، که دارای مقادیر یکسان از ABS هستند، با افزایش تا 2/5٪ نانو ذرات خاک رس مقاومت ضربهای افزایش مییابد و با افزودن بیشتر خاک رس کاهش مقاومت را مشاهده میشود. بیشترین میزان مقاومت ضربه، 22/8 کیلو ژول بر متر مربع با 133٪افزایش در مقایسه با اپوکسی اولیه است. با افزودن 4phr از ABS و 2/5٪ نانو خاک رس به ماتریس اپوکسی حاصل میشود.
رفتار استحکام کششی و ازدیاد طول در نقطه شکست با توجه به مقادیر ABS و نانو ذرات خاک رس، مشابه مشاهداتی است که برای مقاومت ضربه دیده شده است. مواد هیبریدی با 2/5٪ نانو ذرات خاک رس و 4phr از ABS، بیشترین مقدار برای استحکام کششی و ازدیاد طول تا نقطه شکست را داشتند. استحکام کششی در سیستمهای سه جزیی با ترکیب بهینه افزایش 45٪ را در مقایسه با اپوکسی خالص و بیشتر از نانو ذرات خاک رس/ اپوکسی و مواد هیبریدی / ABS اپوکسی را دارند. به علاوه ازدیاد طول تا نقطه شکست در این مواد در مقایسه با اپوکسی اصلاح نشده، حدود 24٪ افزایش را نشان میدهد. خواص کشش و ضربه اپوکسی خالص، هیبریدهای دو جزی و سه جزیی با ترکیب بهینه در جدول (1) مقایسه شدهاند.[24]
سیستمهای دو جزئی و سه جزئی حاوی نانو ذرات کروی سیلیکا
نانو سیلیکا به وضوح میتواند باعث بهبود خواص مکانیکی پلیمر از جمله استحکام، چقرمگـی شکسـت و مقاومـت در برابر خزش و خراشیدگی شود. کینلاچ1 تستها و آزمونهـای شکسـت پلیمرهـای اصـلاح شـده بـا نـانو ذرات سیلیکا را انجام داده و گزارش کرده است که افزودن این نانو ذرات به ماتریس اپوکسی، منجر به یک افزایش قابـل توجهی در چقرمگی نانوکامپوزیت ها در مقایسه با پلیمر اصلاح نشده دارد، این در حـالی اسـت کـه در درصـدهای پایینی از نانو ذرات سیلیکا این نتیجه حاصل میشود.[11] سـاین2 اثـر انـدازه ذرات را بـر روی چقرمگـی مطـرح ساخت و نشان داد که افزودن نانو ذرات سیلیکا با اندازه نسبتا کوچـکتـر(در حـد نـانو متـر) در بهبـود چقرمگـی موثرتر هستند.[25] این در حال است که لیانگ3 اهمیت کمتری میان اندازه نـانو سـیلیکایی20 نـانومتری تـا 80 نانومتری را گزارش میکند.[26] مکانیزمهای چقرمگی ناشـی از افـزودن نـانو ذرات در مـاتریس اپوکسـی توسـط جانسن4و بعدها بوسیله هسیه5 شناسایی شد. همچنین این محققین اخیرا انـرژی شکسـت اپوکسـی اصـلاح شـده توسط نانوذرات را به طور موفقیت آمیزی پیش بینی کردند و نشان دادنـد کـه افـزودن نـانو ذرات سـیلیکا بهبـود چشمگیری در چقرمگی در مقایسه با ذرات سیلیکا در سایز میکرو نشان میدهد.[27] کینلاچ و تایلر6 نشان دادند که یک افزایش قابل توجهی در چقرمگی در رزین اپوکسی چند فاز پر شـده بـا نـانو ذرات سـیلیکا و ذرات میکـرو رابری میتواند حاصل شود. نتایج آنها نشان داد که وقتی نانو ذرات سیلیکا بـه اپوکسـی اضـافه شـد چقرمگـی بـه آرامی با افزایش درصد نانو ذرات سیلیکا افزایش یافت. اما هنگامی که کامپوزیت حاوی درصد مشخص و ثـابتی از رابر و مقادیر متفاوت از نانو ذرات سیلیکا بود، چقرمگی به طور قابل تـوجهی افـزایش مـییابـد بـا افـزایش میـزان سیلیکا و یک اثر هم افزایی1 در چقرمگی حاصل میشود.[11] لیانگ2 و پیرسون3 یک سیستم مشابه دیگر میکـرو رابر/ نانو سیلیکا/ اپوکسی با پیپیریدین به عنوان عامل پخت را بررسی کردنـد. آنهـا متوجـه یـک اثـر افـزایش در چقرمگی K IC شدند. زمانی که میزان نانو سیلیکا 3,2٪ حجمی و میکرو رابر تا حداکثر 12٪ حجمی متغیر بـود. نکته دیگری که به آن دست یافتند کاهش چقرمگی اپوکسی در اثر تجمعات نانو سـیلیکا در درصـدهای بـالایی از میکرورابرها بود.[28] کینلاچ و همکارانش، در کامپوزیت اپوکسی(با سیستم پخت انیدریدی) بـا الیـاف شیشـه یـا کربن اثر افزودن نانو ذرات سیلیکا را بررسـی کردنـد. حضـور نـانو ذرات سـیلیکا بـه تنهـایی 12٪ وزنـی بـر روی چقرمگی شکست درون لایهای4در لایه های CF/EP ، با انرژی شکست 489 ژول بر متر مربع در مقایسـه بـا 439 ژول بر متر مربع در لایه های CF/EP بدون حضور نانو ذرات سیلیکا، تاثیر چندانی نمیگذراد. سپس افـزودن 9٪ وزنی از لاستیک مایع CTBN فعال به منظور تشکیل ماتریس اپوکسـی هیبریـدی، باعـث بهبـودی چشـمگیر در چقرمگی گسست، با GIC سه برابر بیشتر از اپوکسی خالص میشود.[29] تسای5 و همکارانش فهمیدنـد کـه GIC لایههای CF/EP با 10٪ و20٪ وزنی از نـانو ذرات سـیلیکا در مقایسـه بـا لایـههـای اپوکسـی خـالص 15٪ و 8٪ افزایش دارد.[30] دنگ6و همکارانش گزارش کردند که GIC لایههای CF/EP بـا افـزودن 4٪ وزنـی نـانو سـیلیکا، افزایش مییابد. رابطهای قوی بین چقرمگی شکست کامپوزیت های CF/EP، با افزایش در GIC هم در رشد و هـم در شروع وجود دارد.[31]
جانسن و همکارانش به جستجوی واسطههای میان ساختار و خواص چقرمگی شکست پلیمر اپوکسی اصلاح شـده با نانو ذرات سیلیکا با قطر 20 نانومتر پرداختند.[32] تحلیلهای دینامیکی مکانیکی حرارتی برای بدسـت آوردن دمای انتقال شیشهای فرمولاسیونها، استفاده میشود. برای پلیمر اپوکسی اصلاح نشـده دمـای انتقـال شیشـهای 153 درجه سانتی گراد اندازهگیری شده و چنانچه در جدول (2) نشان داده شده است. افزودن نـانو ذرات سـیلیکا
در میزان دمای انتقال شیشهای اندازهگیری شده تاثیر چندانی نـدارد. و تمـامی مقـادیر در محـدوده 152±2 قرار دارند.
مدول کششی 2,96 گیگا پاسکال برای پلیمر اپوکسی اصلاح نشده بدست آمده اسـت. دیـده مـیشـود کـه مـدول اندازهگیری شده با افزایش درصد نانو سیلیکا افزایش مییابد. ماکزیمم مدولی کـه انـدازهگیـری شـده 3,85 گیگـا پاسکال میباشد که این مقدار برای ماتریس اپوکسی با 13,4٪ حجمی نانو ذرات سیلیکا دیده شده است.
میانگین چقرمگی شکست K IC ، 1,42 مگا نیوتن در متر به توان منفی سه دوم برای پلیمـر بـا 13,4٪ حجمـی از نانو ذرات سیلیکا اندازه گیری میشود. به جدول (3-2) مراجعه شـود. انـرژی شکسـت بـرای هـر فرمولاسـیون بـا استفاده از مدول اندازهگیری شده توسط تست کشش محاسبه میشـود. ایـن دادههـا در شـکل (2) و جـدول (2) نشان داده شدهاند. انرژی شکست با افزایش درصد نانو ذرات سیلیکا به طور یکنواخت افزایش مییابد.
مشاهدات سطح شکست با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی و میکروسکوپ نیروی اتمی نشان میدهد کـه نانو ذرات توسط حفرهها احاطه شدهاند. این امر نشان میدهد که مکانیزم انفصال ترک در نانو ذرات و رشـد حفـره پلاستیک در افزایش چقرمگی که به دلیل حضور نانو ذرات است، بسیار تاثیر گذار است.
شکل(:(2 عکس میکروسکوپ الکترونی روبشی اثر میدانی سطح شکست پلیمر اپوکسی حاوی 9,6% حجمی نانو سیلیک
خواص مکانیکی و دمای انتقال شیشهای اپوکسی خالص و اپوکسی اصلاح شده بـا نـانو سـیلیکا در جـدول (5-2) ارائه شده است. چنانچه انتظار میرفت افزودن ذرات نانو سیلیکا باعث افزایش مدول کششی و اسـتحکام کششـی میشود. چرا که مدول نانو ذرات سیلیکا 70 گیگا پاسکال میباشد که به مراتب بزرگتـر از مـدول اپوکسـی اسـت. بیشینه (ماکزیمم) مدول و استحکام در رزین اپوکسی حـاوی 20٪ وزنـی نـانو ذرات سـیلیکا بـا افزایشـی 24٪ و 12٪برابر با 3,6 گیگا پاسکال و 72,4 مگاپاسکال در مقایسه با اپوکسی خالص دیده مـیشـودضـمناً،. بایـد اشـاره شود که کاهش در T g با افزایش نانو ذرات سیلیکا دیده نمیشود. چقرگی شکسـت بـا افـزودن نـانو ذرات سـیلیکا افزایش مییابد و انرژی شکست 66,4 ژول بر متر مربـع بـرای اپوکسـی حـاوی 20٪ وزنـی از نـانو ذرات سـیلیکا اندازهگیری شده است. سطوح شکست نمونهها در شکل((10-4 نشان داده شده است. سطوح شکست نمونـههـا در نزدیکی نوک ترک در نمونههای مختلف با درصدهای متفاوت از نانو ذرات سیلیکا بـا هـم تفـاوت دارنـد. اپوکسـی خالص نسبتا صاف و براق است که به فرم عمومی یک پلیمر شکننده ترموست میباشد که در حین شکسـت هـیچ تغییر فرم پلاستیکی از خود نشان نمیدهد که این امر با مقدار پایین انرژی شکسـت 238 ژول بـر متـر مربـع آن سازگاری دارد. با افزودن نانو ذرات سیلیکا تصاویر نشان میدهد که تغییر فرم پلاستیک و زبری افزایش مییابد.
آزمایشات بیشتر از سطوح شکست اپوکسیهای اصلاح شده توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی بـا دقـت بالا در شکل((b-3 نشان میدهد که نانو ذرات سیلیکا روی سطح دیده میشوند و همچنین بیانگر انفصـال فصل مشترک ماتریس و نانو ذرات ومتعاقـب آن تغییرفـرم پلاسـتیک مـیباشـد.[32] همچنـین هسـیه و همکارانش با وارد کردن همزمان نانو ذرات سیلیکا و نانو لولههای کربنی چند جـداره بـه داخـل مـاتریس اپوکسی پخت شده با انیدرید نانوکامپوزیتهای هیبریدی تهیه کرده و خواص آنهـا را مـورد مطالعـه قـرار دادند. در مورد خصوصیات مکانیکی، حرارتی و شکست نانوکامپوزیتهـای پلیمـری تحقیـق انجـام شـد و همچنین میزان و درجه پخش نانو ذرات اصلاح کننده و همچنین مکـانیزمهـای چقرمگـی مـورد مطالعـه قراردادند.[33]
شکل(:(3 تصویر(a ESM سطح شکست اپوکسی اصلاح نشده(bاپوکسی اصلاح شده با ده درصد نانو سیلیکا عکسهای میکروسکوپ نیروی اتمی از نانوکامپوزیت شامل %0,18 وزنی نانو لولـههـای کربنـی چنـد جـداره و %6 وزنی نانو ذرات سیلیکا در شکل (3) نشان میدهد که نانو ذرات سیلیکا بـه خـوبی پخـش شـدهانـد امـا تجمعـات کوچکی از نانو لولههای کربنی چند جداره نیز دیده میشود. این مسئله وقتی تایید شد که از تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی اثر میدانی به منظور مطالعه سطوح شکست مورد استفاده قرار گرفتـه اسـت.مـدول یانـگ انـدازه گرفته شده فرمولاسیونهای متفاوت حاوی نانو لولههای کربنی چند جداره و نـانو ذرات سـیلیکا در جـدول (3) و نشان داده شده است. مدول اپوکسی اصلاح نشده، 2,90 گیگا پاسکال اندازهگیری شد. افزودن نـانو ذرات سـیلیکا به تنهایی به داخل ماتریس اپوکسی منجر به افزایش ثابتی در مـدول مـیشـود و مـدول تـا حـداکثر 3,01 گیگـا پاسکال برای فرمولاسیونی حاوی %6 وزنی نانو ذرات سیلیکا افزایش مییابد. از طرف دیگر افـزودن نـانو لولـههـای کربنی چند جداره تنها باعث افزایش اندکی در مدول نانوکامپوزیتها میشود. نتایج در جدول (3) نشان مـیدهـد که دمای انتقال شیشهای به نحویست که از فرمولاسیونها مستقل بوده و تقریبا مشابه به هم هستند و این مقادیر بین 142 درجه سانتی گراد تا 147 درجه سانتیگراد میباشد.
مقادیر چقرمگی شکست K IC و انرژی شکست GICاپوکسی اصلاح نشده و نانوکامپوزیتهای اپوکسی حاوی نـانو ذرات در جدول (7-2) نشان داده شده است. افزودن نانو ذرات سیلیکا به تنهایی منجر به افزایش قابل تـوجهی در انرژی شکست GIC نانوکامپوزیتها شده است. بعنوان مثال وارد کردن %6 وزنی نانو ذرات سیلیکا باعث ایجاد یک افزایش %36 در انرژی شکست در مقایسه با اپوکسی اصلاح نشده گردیده است. اضافه کردن نانو لولههـای کربنـی چند جداره به منظور تشکیل نانوکامپوزیتهای هیبریدی به ترکیب اپوکسی و نانو ذرات سیلیکا، منجر به افـزایش بیشتری در انرژی شکست میشود
سیستمهای دو جزئی و سه جزئی حاوی نانو لولههای کربنی
نانو لولههای کربنی به دلیل خواص مکانیکی مناسب، از جمله مدول و استحکام شکست بالا[35 ,34]، هندسه منحصر به فرد از جمله نسبت منظر بالا و قطر نانومتری و همچنین چگالی کم [36]، جهت تقویت سازی مواد کامپوزیتی حاوی الیاف مناسب به نظر میرسند. نانو لولههای کربنی در مواد پلیمری متفاوتی به کار گرفته شده-اند.[37] به هر حال نکتهی اساسی در کامپوزیتهای حاوی نانو لولههای کربنی، توجه به پراکنش مناسب آنها در ماتریس میباشد؛ چرا که به دلیل برهمکنشهای مؤثر واندروالسی، نانو لولههای تمایل زیادی برای تشکیل توده از خود بروز میدهند.[38] ساندلر و همکاران1جهت پراکنش مناسب نانو لولههای کربنی در ماتریس اپوکسی، ابتدا به کمک دستگاه همگن کننده فراصوتی، آنها را در اتانول به خوبی پخش کرده و در ادامه از همزن مکانیکی استفاده کردند. البته این روش بازدهی مناسبی در برنداشته است.[39] همچنین از اصلاح کنندههای سطحی2نیز مانند پلیاکسیاتیلن--8لایوریل3، جهت پراکنش نانو لولههای کربنی معرفی شدهاند و در این حالت، تصاویر حاصل از میکروسکوپ الکترونی روبشی و میکروسکوپ الکترونی انتقالی و نیز نتایج آزمونهای مربوط به خواص مکانیکی و چقرمگی، حاکی از نقش مؤثر افزودن اصلاح کننده به آمیزهی حاوی نانو لولهها و اپوکسی دارد (شکل.[38](4 از سوی دیگر به کارگیری نانو لولههای کربنی عاملدار شده نیز مورد مطالعه قرار گرفته است. چن و همکاران4 نیز از نانو لولههای عاملدار شده با کربوکسیلیک اسید و همچنین کربکسیلات آمونیوم استفاده کردند. بدین ترتیب عوامل شیمیایی از یکسو به نانو لولهها متصل شده و از سوی دیگر با برقراری پیوندهای کوالانس با ماتریس اپوکسی، منجر به بهبود سطح مشترک آنها میشود.[40]
این پراکنش مناسب میتواند ناشی از ایجاد پیوندهای کوالانسی میان ماتریس اپوکسی و گروه عاملی کربوکسیل نشانده شده بر نانو لولههای کربنی باشد.
مکانیزم غالب تخریب نمونههای حاوی نانولوله بیرون زدن نانو ذرات است، که با تست کشش مورد مطالعه قرار میگیرد، به این وسیله تأثیر عاملدار شدن نانو لولههای کربنی بر خواص نهایی نانوکامپوزیت بر پایه اپوکسی مشخص میشود. شکل (5)، تصاویر میکروسکوپ الکترونی انتقالی مربوط به مکانیزم بیرون زدن نانو ذرات را در نمونه حاوی نانو لولههای کربنی معمولی نشان میدهد. مشاهده میشود که به هنگام اعمال نیروی کششی، نانو لولهها به دلیل برهمکنش سطحی پایین با ماتریس اپوکسی، به راحتی از اپوکسی جدا میشوند. در ادامه این مکانیزم در اپوکسی حاوی نانولولههای عاملدار شده با گروه کربوکسیل مورد مطالعه قرار میگیرد. تصاویر میکروسکوپ الکترونی انتقالی مربوط این نمونه (شکل ((6)، کیفیت برهمکنشهای نانو لولههای عاملدار شده با اپوکسی را نشان میدهد. با توجه به شکل -6) الف)، اپوکسی نانو لولهای کربنی را کاملاً در برگرفته است. همچنین دلیل محکمتر مبنی بر برهمکنشهای قدرتمند در این نانوکامپوزیت، بررسی مکانیزم بیرون زدن نانو ذرات است. همانطور که در شکل - 6) ب) مشخص میباشد، نانو لولههای عاملدار شده، با ایجاد پل در برابر رشد ترک مقاومت میکنند و موجب افزایش چقرمگی شکست میشوند. همچنین با توجه به شکل -6) ج) و مطالعهی تلسکوپیک مکانیزم بیرون زدن نانو ذرات، به نظر میرسد لایهی خارجی نانولوله کربنی با اپوکسی واکنش داده در حالی که لایههای درونی آن با ایجاد پل در ترک1 ایجاد شده، از رشد آن جلوگیری میکنند.[41]
زو و همکاران2 موفق به بهبود خواص فیزیکی- مکانیکی و همچنین چقرمگی ماتریس اپوکسی با استفاده از نانو لولههای کربنی چند جداره شدند. جدول (4) حاکی از افزایش مدول الاستیک و استحکام کششی و همچنین کرنش شکست تا ترکیب درصد وزنی %0/3 دارد. با این حال در ترکیب درصد وزنی %0/4 میزان استحکام کششی و همچنین کرنش شکست کاهش مییابد. این کاهش در ترکیب درصد بالاتر، میتواند. برآمده از دو موضوع باشد: اول، عدم توزیع مناسب نانو لولههای کربنی و دوم، وجود حبابها در نمونه که با افزایش نانو، ترکیب درصد حبابهای آمیزه نیز افزایش مییابد. همانطور که مشاهده میشود، تا ترکیب %0/3 وزنی، افزایش چقرمگی مشاهده میشود. برای بررسی بیشتر این موضوع، از تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی استفاده شده است.
