بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش، اثر نانوذرات کربنات کلسیم اصلاح سطحی شده در درصدهای وزنی مختلف 0 - ، 1، 3، - 5 نسبت به زمینه بر خواص کششی کامپوزیتهای زمینه اپوکسی تقویتشده با الیاف بازالت، مورد مطالعه قرار گرفته است. برای بهبود فصل مشترک نانوذرات و زمینه از فرآیند اصلاح سطحی نانوذرات توسط عامل تری متوکسی سیلیل - سیلان - پروپیل آمین استفاده شد و روند اصلاح سطحی با استفاده از آزمون طیفسنجی مادون قرمز مورد بررسی قرار گرفت.
به منظور بخش مطلوب نانوذرات درون رزین از دو روش همزدن مکانیکی و سیستم اولتراسونیک پروبی استفاده شد. نتایج حاصل از آزمون کشش نشان داد که بیشترین میزان افزایش در خواص کششی به ازای افزودن 3 درصد وزنی نانوذرات کربنات کلسیم حاصل شد، به طوریکه استحکام کششی و مدول کششی کامپوزیت اولیه به ترتیب به میزان 20 و 30 درصد بهبود یافتند. اما با افزودن 5 درصد وزنی نانوذرات کربنات کلسیم، افت خواص کششی نمونهها به دلیل توزیع نامطلوب نانوذرات درون زمینه مشاهده شد. مطالعات ریزساختاری نشان داد که یکی از عوامل بسیار موثر در بهبود خواص کششی کامپوزیتهای اپوکسی- الیاف بازالت در نتیجه حضور نانوذرات کربنات کلسیم ناشی از بهبود فصلمشترک زمینه و الیاف بازالت بود.
-1 مقدمه
در کاربردهای مهندسی، اغلب به تلفیق خواص مواد نیاز است. به عنوان مثال در صنایع هوافضا به موادی نیاز است که ضمن داشتن استحکام بالا، سبک بوده و مقاومت سایشی خوبی داشته باشند. از آنجا که نمیتوان مادهای یافت که همه خواص مورد نظر را دارا باشد، استفاده از کامپوزیتها مطرح میشود. در این میان، کامپوزیتهای زمینه پلیمری به دلیل استحکام و سفتی ویژه بالا، سهولت در تولید قطعات پیچیده، مقاومت در برابر خوردگی و قیمت مناسب از پرکابردترینها هستند.
[1] در میان رزینهای پلیمری که به عنوان زمینه در این کامپوزیتها به کار میروند، رزین اپوکسی به دلیل خواص بسیار مناسب مانند پایداری حرارتی، رفتار مکانیکی مناسب، چگالی کم، مقاومت الکتریکی، چسبندگی عالی و مقاومت به عوامل شیمیایی به طور گسترده مورد استفاده قرار میگیرد 2]و.[3 در سالیان اخیر از میان الیاف تقویتکننده در کامپوزیتهای پلیمری، الیاف بازالت بسیار مورد توجه قرار گرفته است. بازالت، الیاف معدنی است که در مقایسه با الیاف شیشه خواص برتری دارند.
این الیاف به دلیل استحکام بالاتر نسبت به الیاف شیشه و مقاومت بالاتر در محیطهای قلیایی، همچنین به دلیل قیمت مناسب نسبت به الیاف کربن، که الیافی با استحکام بالا بوده و خنثی از نظر شیمیایی میباشند، در موارد زیادی قابل ترجیح هستند .[4] با ورود نانوکامپوزیتهای زمینه پلیمری، طیف کاربردی پلیمرها به شدت افزایش یافته است و روند تحقیقات و صنعتیشدن نانوکامپوزیتهای زمینه پلیمری در سطح جهانی قابل توجه است.
استفاده از تقویتکنندههای نانومتری به منظور افزایش خواص مکانیکی چون استحکام و سفتی، بهبود خواص حرارتی و کاهش اشتعالپذیری و نفوذپذیری زمینههای پلیمری، بسیار مورد توجه قرار گرفته است 5]و.[6 در سالهای اخیر، تحقیقات زیادی در زمینهی پلیمرهای تقویتشده با نانوذرات به دلیل ترکیب غیرمنتظرهای از خواص در کنار هم صورت گرفته است. در میان نانوذرات مختلف، نانوذرات کربنات کلسیم - CaCO3 - از پرکاربردترین و مهمترین تقویتکنندههای مورد استفاده در ساخت نانوکامپوزیتهای زمینه پلیمری به شمار میروند. ارزان بودن، در دسترس بودن، سبکی، سهولت روکشدهی سطحی، تولید آسان و قابلیت تحمل بار از جمله عواملی هستند که باعث کاربرد وسیع این ماده به عنوان تقویت کننده شده است .[7]
امروزه استفاده از کامپوزیتهای هیبریدی که حاوی بیش از یک نوع تقویتکننده هستند رو به گسترش است. این نوع کامپوزیتها با هدف بهبود بیشتر خواص به خصوص، خواص مکانیکی، تهیه میشوند. به عنوان مثال، حضور همزمان نانوذرات در کنار الیاف درون زمینه پلیمری، خواصی را به همراه دارد که در صورت استفاده از هر کدام آنها به تنهایی، این خواص حاصل نمیشوند 8]و.[9 هی1 و همکارانش [10]، رفتار مکانیکی کامپوزیتهای اپوکسی- الیاف کربن- نانوذرات کربنات کلسیم اصلاح سطحی شده 8-2 - درصد وزنی - را مورد بررسی قرار دادند. مطابق با نتایج این تحقیق، افزایش در خواص مکانیکی کامپوزیتها در درصدهای وزنی کم نانوذرات کربنات کلسیم حاصل میشود.
برای کامپوزیتهای اپوکسی- الیاف کربن فاقد نانوکربنات کلسیم مقدار استحکام خمشی حدود 1000 مگاپاسکال بود که با افزودن 4 درصد وزنی نانوذرات کربنات کلسیم به مقدار 1250 مگاپاسکال افزایش یافت. اما افزودن نانوذرات کربنات کلسیم تاثیر منفی بر خواص فشاری داشته است و موجب کاهش استحکام فشاری کامپوزیتها میشود. در ارتباط با استحکام ضربه بیشترین بهبود به ازای توزیع 2 درصد وزنی نانوذرات حاصل شد و با افزودن مقادیر بیشتر استحکام ضربه افت پیدا نمود .
در تحقیق انجام شده توسط زولفلای2 و همکارانش [11]، تأثیر نانوذرات کربنات کلسیم 2 - تا 8 درصد وزنی - بر روی خواص مکانیکی کامپوزیتهای اپوکسی/ الیاف شیشه بررسی شده است. مطابق با نتایج حاصله، با افزودن 8 درصد وزنی نانوکربنات کلسیم، چقرمگی شکست به میزان 36 درصد در مقایسه با کامپوزیت فاقد نانوکربنات کلسیم، افزایش یافت. همچنین، مدول خمشی و استحکام خمشی با اضافه کردن نانوذرات کربنات کلسیم به صورت خطی، افزایش پیدا کرد. در مقایسه با کامپوزیت اپوکسی/ الیاف شیشه، اضافه کردن 8 درصد وزنی نانوذرات کربنات کلسیم، مدول خمشی را 24 درصد افزایش داد. بیشترین بهبود در استحکام ضربه به ازای 8 درصد وزنی نانوکربنات کلسیم حاصل شده که در طی آن استحکام ضربه به میزان 61 درصد افزایش یافته است.
در تحقیق انجام شده توسط هی3 و همکارانش [12]، تأثیر مقادیر مختلف نانوذرات کربنات کلسیم اصلاح شده - 0 تا 8 درصد وزنی - اصلاح شده توسط عامل کوپلینگ سیلانی، روی خواص فشاری رزین اپوکسی و اپوکسی تقویت شده با الیاف کربن بررسی شده است. بر اساس نتایج آزمون فشار، بهبود قابل توجهی در استحکام و مدول فشاری کامپوزیت تقویتشده با الیاف کربن، حاوی 4 درصد وزنی نانوذرات، نسبت به اپوکسی خالص، مشاهده شد.
در تحقیق انجام شده توسط هی4 و همکارش [13]، تأثیر نانوکربنات کلسیم اصلاحشده با سیلان بر استحکام برشی کامپوزیتهای اپوکسی- الیاف کربن، مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که با افزایش مقدار نانوذرات از صفر تا 4 درصد وزنی درون اپوکسی حاوی الیاف کربن، استحکام برشی افزایش یافته و با افزایش نانوذرات تا بیش از 4 درصد وزنی، به علت تجمع نانوذرات و برهم کنش ضعیف بین آنها و زمینه، استحکام برشی کاهش می-یابد. پوه5 و همکارانش [14]، از نانوذرات سیلیکا، میکا و کربنات کلسیم به عنوان تقویتکنندههای نانومتری برای تولید نانوکامپوزیتهای زمینه اپوکسی تحت آزمون کشش، استفاده کردند.
در این تحقیق، بیشینه مقدار نانوذره استفاده شده 20 درصد حجمی بوده است. نتایج این تحقیق نشان داد که بیشترین افزایش در استحکام کششی به ازای افزودن 5 درصد حجمی نانوسیلیکا حاصل میشود که در آن استحکام کششی به میزان 25 درصد افزایش یافت. امابا افزودن نانوذرات کربنات کلسیم در مقادیر 5، 10 و 15 درصد حجمی، استحکام کششی و کرنش شکست نسبت به اپوکسی خالص، کاهش یافت. دلیل کاهش در خواص کششی، تشکیل حفره در اطراف نانوذرات کربنات کلسیم در داخل اپوکسی بوده که منجر به ایجاد تمرکز تنش و افت خواص میشود.
در تحقیق انجام شده توسط اکرم1 و همکارانش [15]، مقایسهای بین خواص مکانیکی کامپوزیتهای الیاف اپوکسی - شیشه ساخته شده به روش لایهگذاری دستی حاوی 13 درصد وزنی نانوذرات مختلف آلومینا، کربنات کلسیم، سیلیکا و اکسید سرب، صورت گرفته است. بر اساس نتایج، در میان نانوذرات مذکور، نانوذرات کربنات کلسیم به طور همزمان استحکام کششی و انرژی جذب شده را به مقدار مناسبی نگه داشتند، در حالیکه سایر نانوذرات مورد استفاده، استحکام کششی را افزایش داده اما در مقابل انرژی جذب شده را کاهش دادند. در این تحقیق به صورت تجربی، اثر افزودن نانوذرات کربنات کلسیم اصلاح سطحی شده با سیلان در مقادیر مختلف نسبت به زمینه بر رفتار کششی کامپوزیتهای زمینه پلیمری تقویتشده با الیاف بازالت بررسی شده است و مکانیزمهای موثر در بهبود خواص ارائه شده است.
-2 بخش تجربی
-1-2 مواد مورد استفاده
در این پژوهش، رزین اپوکسی KER 828 و هاردنر پلیآمینی - محصولات شرکت مواد شیمیایی کومو 2 کره جنوبی - به عنوان ماده زمینه مورد استفاده قرار گرفتند. برای ساخت نمونههای کامپوزیتی از پارچه الیاف بازالت با بافت ساتن، متعلق به شرکت بازالتکس3 به عنوان تقویتکننده الیافی استفاده شد که برخی از مشخصات این پارچه در جدول 1 آورده شده است. نانوذرات کربنات کلسیم متعلق به شرکت یو اس نانو4 آمریکا به عنوان تقویتکننده نانومتری مورد استفاده قرار گرفت. در جدول 2، برخی مشخصات فنی و در شکل 1، تصویر میکروسکوپ الکترونی عبوری - TEM - نانوذرات کربنات کلسیم نشان داده شده است.
عامل کوپلینگ سیلانی با نام تری متوکسی سیلیل - سیلان - پروپیل آمین5، محصول شرکت مرک آلمان به منظور اصلاح سطحی نانوذرات کربنات کلسیم و بهبود سازگاری و برهمکنش بین آنها و زمینه اپوکسی مورد استفاده قرار گرفت. ترکیب مورد استفاده در این پژوهش، یکی از پرکاربردترین موادی است که برای اصلاح ساختار مواد مختلف از جمله نانوذرات استفاده میشود و وزن مولکولی آن 179 گرم بر مول است.
