بخشی از مقاله
چکیده
رزین اپوکسی به عنوان یک رزین پر کاربرد صنعتی به علت داشتن چقرمگی و انرژی شکست پایین دارای محدودیت استفاده میباشد. در این کار به منظور چقرمهسازی رزین اپوکسی به مطالعه تاثیر پلییورتان در دماهایی پخت مختلف پرداخته شد. در این راستا آزمونهایی کششی و خمشی از نمونههای اپوکسی خالص در دو دمایی مختلف و اپوکسی حاوی پلییورتان در دو دمایی 90درجه و 105 درجه به منظور تعیین خواص مکانیکی تهیه شد. نتایج حاصل از این آزمونها بیانگر افزایش چشمگیر چقرمگی و انرژی شکست با افزایش پلییورتان در هر دو دما میباشد. این افزایش به صورتی بود که برخلاف کارهای صورت گرفته تاکنون مدول کششی در دمایی 90 درجه کاهش بسیار اندکی داشت، در حالی که در دمایی بالاتر اینگونه نیست. انرژی شکست در دمایی 90درجه، در ترکیب درصد، 3 درصد بیشترین میزان چقرمگی با افت مدول قابل چشم پوشی را نتیجه داد.
واژه های کلیدی: دمایی پخت، انرژی شکست، مدول، اپوکسی، پلییورتان
-1 مقدمه
پلیمر اپوکسی در زمینه های مختلف مهندسی از جمله پوششدهی، چسبها و ماتریس مواد کامپوزیتی کاربرد گستردهای دارد. خواص عایق آنها که شامل مقاومت بالای دمایی و فرایند پذیری مناسب است؛ به پلیمر اپوکسی این امکان را میدهد به طور گسترده در صنایع الکترونیک، در حوزه صنایع چاپ و پوش محافظتی قطعات الکتریکی کاربرد زیادی داشته باشد. علاوهاین استفاده از چسب و کامپوزیتی که بر پایه پلیمر اپوکسی است در صنایع فضایی، اتومبیل و توربینها بادی با بازدهی بالا بسیار گسترش یافته است. از سوی دیگر مقاومت دمایی بالا پایداری در مقابل تغییرات آب و هوا، سوختن و غیره به آنها این امکان را میدهند که در مقایسه با اکریلیک و پلییورتان در کاربردهایی چون هوافضا مورد توجهتر باشند.[5-1] رزین اپوکسی با ساختار بشدت شبکهای، پلیمر ترموستی است که مقاومت حرارتی خوب در عین خزش کم را دارا میباشد.
اگرچه همین ساختار بشدت شبکهای باعث میشود که اپوکسی یک پلیمر شکننده باشد و خود این امر محدودیت استفاده از رزین اپوکسی را فراهم میآورد. به این ترتیب استفاده از چقرمهکنندهها مختلف در دستور کار قرار گرفت[11-6]؛ در این میان ذرات میکرومتری شیشه استفاده شد که علاوه بر این که چقرمگی را به میزان کمی افزایش میداد، مدول را به دچار افت شدید میگردانید.[13 ,12]در این کار با هدف چقرمهسازی رزین اپوکسی در عین اینکه خواصی چون مدول کششی و استحکام کششی حفظ شود؛ از پلییورتان استفاده شد. پلییورتان به علت داشتن سایتهای مشابه اپوکسی امکان برهمکنش آن با اپوکسی وجود دارد بر همین اساس پیش بینی میشود علاوه براینکه چقرمگی شکست بخاطر ساختار خود پلی-یورتان افزایش مییابد، مدول نیز افت نداشته باشد. از سوی دیگر برای بهبود بیشتر خواص شکست، دمایی پخت نیز تغییر داده شد تا اثر دما هنگام استفاده پلییورتان مشاهده شود.
2 مواد و روش ها
1-2 مواد
رزین مورد استفاده در این کار، زرین اپوکسی با کد تجاری AD-301 بر پایه DGBA از شرکت مواد مهندسی مکرر، ایران، تهران و عامل پخت methyl tetrahydrophthalic anhydride - MTHPA - و با هاردنرHA-41پخت شد. نسبت وزنی 100 به 90 رزین به هادنر اختلاط صورت گرفته است. رزین پیش پلیمر بنام پلیتترا اتیلن اتر گلایکول - - POLYTETRA ETHYLENE ETHERGLYCOL به همراه هاردنر جامد موکا - MOCA - از شرکت Hong Kong Kingsfar Technology خریداری شد. این رزین به صورت دما پخت بوده و در محدوده دمایی 90 تا 110 درجه سانتیگراد پخت میشود. نحوهی اعمال آن به این ترتیب است که ابتدا هاردنر پخت در دمایی در حدود 100 درجه سانتیگراد حرارت داده میشود به طوری که از حالت جامد به حالت مایع تبدیل شود و در ادامه هاردنر مایع به رزین اضافه شده و به کمک همزن مکانیکی بخوبی مخلوط میشود. نسبت وزنی رزین به هاردنر برابر 100 به 16 می باشد . بعد از انجام عملیات اختلاط، آمیزه در ترکیب درصدهای مختلف به رزین اپوکسی حاوی هاردنر اضافه میگردد و پس از عملیات اختلاط و گازگیری، برای پخت نهایی به قالب پخت انتقال مییابد .
2-2 ساخت قالب پخت
به دلیل چسبندگی بالای رزین اپوکسی پس از پخت کامل به قالب تصمیم به استفاده از قالب سیلیکونی گرفته شد. این چسبندگی، به قطعه پخت شده ، بعد از خروج از قالب آسیب میرساند و موجب افت خواص قطعه شده و نتایج آزمونها را تحت شعاع قرار میدهد. به کارگیری قالبهای سیلیکونی این مشکل برطرف میسازد. آزمون ها و شناسایی نمونه مدول و تنش تسلیم با استفاده از دستگاه مکانیکی کشش - شرکت سنتام، ورژن - 4/2 بدست میآید. همه نمونه ها بصورت دمبلی شکل مطابق با استاندارد ASTM D638 قالبگیری میشود. نمونه حاصل با نرخ کشش 1 میلیمتر بر دقیقه در دمایی اتاق تحت شرایط ذکر شده مورد آزمون قرار میگیرد. در این پژوهش از آزمون شکست نمونهی حاوی یک ناچ - SENB - طبق استاندارد - ASTM D 5045 99 استفاده شده است.که در این رابطه x برابر a/W است که a نیز برابر اندازه رشد ترک می باشد. نیروی اعمالی بحرانی با واحد کیلونیوتن و پارامترهای مربوط به ابعاد ماده و رشد ترک برحسب سانتیمتر میباشند. توجه شود که رابطه زیر بنا که در معادله فوق، E برابر مدول الاستیک برحسب مگاپاسکال - - MPa است که با توجه به آزمون کشش محاسبه میگردد و برابر ضریب پواسون است که در نمونه های حاوی اپوکسی برابر 0.35 میباشد.
خواص خمشی یک قطعه مطابق با استاندارد ASTM D790 شناسایی میشود: اعمال فشار به توسط دستگاه کشش شرکت سنتام، ورژن 4,2 ، و با سرعت 0.2 میلیمتر بر دقیقه انجام میشود. میزان تنش خمشی در این روابط نیروی شکست - P - برحسب نیوتن - N - است، L برابر طولی از نمونه است که در فاصله دو تکیهگاه دستگاه قرار میگیرد و برحسب میلیمتر میباشد، b و d به ترتیب برابر عرض و عمق نمونه میباشد و D برابر اندازه بیشینهی شکست نمونهی تحت بار میباشد که همگی برحسب میلیمتر هستند. m نیز برابر شیب نمودار نیرو - مقدار شکست نمونه تحت بار میباشد و واحد آن نیوتن بر میلیمتر - N/mm - است. نتایج حاصل از این آزمونها در جدول1 بیان شد.
برای مطالعهی ساختار درون ماده و نیز مطالعهی مکانیزم های شکست، از آزمونهای AFM و SEM استفاده شده است که در تحقیقات دیگر نیز همن روش را بکار بردهاند.[17 ,16] میکروسکوپ AFM مورد استفاده، دارای نام تجاری SPM / با ورژن 2,1,1,2 میباشد. همچنین از میکروسکوپ الکترونی FE-SEM، مدل S4160-02 شرکت هیتاچی ژاپن، مستقر در دانشکده برق دانشکده فنی دانشگاه تهران نیز استفاده شد که میزان ولتاژ آن جهت وضوح تصاویر مربوطه، تا 15 ولت میباشد. در شکلهای زیر، تصاویر مربوط به آزمونهای SEM و FEM مربوط به سطح شکست نمونه های مورد مطالعه مشاهده میشوند. جهت حفظ مورفولوژی سطح، شکست نمونهها در نیتروژن مایع صورت گرفته است.
3-2 طراحی آزمایش
برای نمونه هایی که فاقد تقویتکننده میباشند، پس از اختلاط کامل رزین اپوکسی به همراه هاردنر آن توسط همزن مکانیکی و بعد از انجام حبابگیری توسط آون خلأ در دمای 75 درجه سانتیگراد، آمیزه به داخل قالب پخت منتقل شده و عملیات پخت در دو دمای 90 و105 درجه سانتیگراد صورت گرفته است. برای نمونه بعدی تاثیر ماده پلیمری پلییورتان و بر خواص فیزیکی- مکانیکی رزین اپوکسی بررسی شد. لازم به ذکر است که شرط دستیابی به خواص مطلوب در یک قطعه، نحوهی آماده سازی نمونه ی حاوی پلییورتان
