بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله، خواص کششی و خمشی نانوکامپوزیت اپوکسی/نانوسیلیکا بررسی شده است. نانوسیلیکا - SiO2 - با درصد وزنی 0، 1، 3 و %5 در سیستم اپوکسی پخش شد. نانوکامپوزیتهای اپوکسیSiO2/ با استفاده از آزمونهای استاندارد کشش تک محوری و خمش سه نقطهای مورد بررسی قرار گرفتند. نتایج مربوط به آزمون ها نشان دهنده بهبود اکثر خواص مکانیکی مانند مدول و استحکام کششی و همچنین مدول و استحکام خمشی نانوکامپوزیت اپوکسی/نانوسیلیکا میباشد، در حالی که کرنش با افزودن نانوذرات سیلیکا به رزین اپوکسی کاهش مییابد. نتایج نشان میدهد، %3 نانوذرات SiO2 درصد وزنی بهینه برای بهبود خواص مکانیکی رزین اپوکسی میباشد.
کلمات کلیدی: نانوکامپوزیت، نانوسیلیکا، خواص مکانیکی، رزین اپوکسی
.1 مقدمه
با ورود عصر نانو در عرصه علم مواد، پلیمرهای تقویت شده با فاز نانو مورد توجه جوامع علم و صنعت قرار گرفته است. [1] از دیدگاه صنعتی آنچه باعث جلب توجه بسیاری از صنایع به این موضوع شده، بهبود چشمگیر خواص پلیمرهاست. بنابراین در سالهای اخیر پژوهشهای بسیاری در راستای شناسایی خواص نانوکامپوزیتهای پلیمری و توسعه این گروه از مواد شکل گرفته است.
در میان انواع پلیمرها رزینهای اپوکسی به دلیل استحکام مکانیکی، مقاومت گرمایی خوب و همچنین قابلیت چسبندگی عالی به اکثر مواد در ساخت کامپوزیتها، بسته بندی قطعات الکترومیک و ایجاد پوششهای صنعتی و همچنین در صنایع چسب و رنگ کاربردهای فراوانی دارد. اما با وجورد داشتن مزایای متعدد این مواد بسیار شکننده هستند و تلاش های بسیاری در جهت بهبود مقاومت به گسترش ترک این مواد انجام شده است.
معمولا بهبود چقرمگی این مواد با کاهش صلبیت آن همراه است.[1,2] در چند سال گذشته مطالعات بسیاری در زمینه نانوکامپوزیتهای اپوکسی انجام شده است اما سازوکار شکست آن همچنان ناشناخته است. سالهاست که از مواد لاستیکی جهت بهبود مقاومت اشاعه ترک در اپوکسی استفاده میشود، لیکن افزودن این فاز باعث کاهش استحکام تسلیم ماتریس زمینه میگردد.
از سوی دیگر سیلیکا به عنوان یکی ازمواد معدنی قابل افزودن به زمینه اپوکسی به دلیل استحکام حرارتی بالا - 0011 C - ، سطح ویژه بالا - -01 m2/g - 081 ضریب هدایت حرارتی پایین و مقاومت در برابر سایش خوب بسیار مورد توجه محققین بوده است. لینگ لیوٌ و همکاران بر روی خواص حرارتی نانوکامپوزیت اپوکسی/سیلیکا تحقیق کردند. آنها شاهد پایداری حرارتی رزین اپوکسی پس از اختلاط نانوذرات سیلیکا بودند.[3]
هونگٍ و همکارانش بر روی خواص برودتی نانوکامپوزیت اپوکسی/سیلیکا انجام گرفت. در این پژوهش آنها نانوکامپوزیت هایی شامل 2 و 4 درصد وزنی سیلیکا - SiO2 - تهیه کردند و نتایج بررسی هایشان نشان داد استحکام کششی در دمای برودتی به طور قابل توجهی با افزودن مقدار کمی از نانوذره سیلیس افزایش یافته است و همچنین کرنش شکست در دمای اتاق به وضوح با افزودن نانوذرات سیلیکا افزایش یافته است. متوسط ضریب انبساط حرارتی از k 298 به k 77 رسیده است که بدیهی است با افزودن نانوسیلیکا حاصل شده است.[4]
چنگانگ چنَ و همکاران نانوکامپوزیتهایی با پایه اپوکسی و با نانوذرات 12 نانومتری سیلیکا ساختند و خواص مکانیکی و حرارتی محصول را به عنوان فاکتورهای تحقیق مورد بررسی قرار دادند. مشاهدات آنها نشان داد نمونه هایی شامل کمتر از %10 وزنی نانوسیلیکا باعث افزایش %25 مدول کششی و %30 فاکتور سختی میشود نمونه هایی با درصدهای بالاتر نانوذرات باعث افزایش مدول کششی میشود اما سختی نانوکامپوزیت کاهش مییابد. جدول زیر خلاصه ای از نتایج آنها را نشان میدهد.[5]
راگوستاُ و همکاران فعل و انفعال شیمیایی نانوکامپوزیت اپوکسی/ نانوسیلیس را مورد بررسی قرار دادند. تقویت و چقرمگی آن را اندازه گرفتند. آنها دریافتند که واکنش بین گروه های اپوکسی و گروه های سیلانول موجود در سطح مشترک سیلیس و اپوکسی منجر به افزایش چسبندگی سطحی ذرات به ماتریس پلیمری میشود. آزمونهای مکانیک شکست نشان داد که وجود نانو ذرات در حدود %10 وزنی افزایش قابل توجهی در طول شکست بحرانی از نقطه شروع انکسار به ارمغان میآورد.[6]
بارابانوا و همکارانش در پژوهشی دریافتند نانوذرات اصلاح شدهی سیلیکا سبب میشود دمای انتقال شیشهای نانوکامپوزیت اپوکسی 40- 30 درجه افزایش یابد.[7] هیو ژنگِ و همکاران تحقیقاتی در زمینه رفتار شکست نانوکامپوزیتهای اپوکسی/سیلیکا در دماهای 23 و 80 درجه سلسیوس انجام دادند. درصد حجمی استفاده شده نانوذرات سیلیکا در رزین اپوکسی %15 بود. نتایج نشان داد حالت خشکی و استحکام و سختی اپوکسی همزمان بهبود مییابد.[8]
علی االله وردی و همکاران بر روی تاثیر نانوسیلیکا بر خواص مکانیکی حرارتی و ظاهر پوششهای رزین اپوکسی تحقیق کردند، آنها برای اختلاط و پراکندگی بیشتر و مطلوبتر نانوذرات در ماتریس پلیمری پس از اختلاط مکانیکی از امواج اولتراسونیک استفاده کردند. نتایج نشان داد نانوکامپوزیت حاوی %5 وزنی نانوسیلیکا %26 سختی بیشتر و %21 مدول الاستیک بالاتری در مقایسه با اپوکسی خالص دارد. [9]
.2 آزمایش
.2.1 مواد
مواد مورد استفاده در این پژوهش، شامل رزین اپوکسی نانو سیلیکا می باشد. اپوکسی مورد استفاده، سامانه دو جزئی شامل رزین اپوکسی دیگلیسیدیل اتر بیس فنول نوع آ با نام تجاری EC130 LV و یک سخت کننده سیکلوالیفاتیک بر پایه PACM با نام تجاری W340 تولید شده توسط شرکت التاناٌ ایتالیا میباشد که با نسبت وزنی 10:30 نسبت به پایه اپوکسی - قسمت اول - با آن مخلوط میشود. در این پژوهش از نانو سیلیکا با قطر 15-10 نانومتر ساخته شده توسط شرکت نوترینوٍ ایران استفاده شده است.
.2.2 ساخت نانوکامپوزیت پایه اپوکسی تقویت شده با نانوذرات سیلیکا برای تولید نانوکامپوزیتهای اپوکسی/ نانوسیلیکا بایستی ابتدا نانوذرات سیلیکا با درصدهای وزنی 1، 3 و %5 نسبت به کل سیستم - اپوکسی و سخت کننده - به اپوکسی - EC130 LV - اضافه شده و با همزن مکانیکی به صورت اختلاط برشی با سرعت 1000 دور بر دقیقه به مدت 2 ساعت مخلوط گردید.
سپس مخلوط با استفاده از دستگاه آلتراسونیک به مدت 8 دقیقه تحت امواج فراصوتی قرار گرفت تا نانوذرات سیلیکا درون پایه اپوکسی پخش شود. پس از آن برای حذف حبابهای ایجاد شده در مخلوط به مدت 30 دقیقه بر روی هات پلیت در دمای 80 درجه قرار داده شد.
.2.3 ساخت نمونه های آزمونهای مکانیکی
برای تعیین خواص مکانیکی نانوکامپوزیتهای اپوکسی/ سیلیکا از آزمونهای استاندارد کشش و خمش سه نقطه ای استفاده شده است. برای ساخت نمونه های این آزمون ها از قالبهای لاستیکی سیلیکونی استفاده شده است. این قالب ها با استفاده از مدل های اولیه موجود به وسیله قالبگیری ساخته شده اند. مزیت قالب های سیلیکونی دقت ابعادی بسیار بالا، مقاومت حرارتی بالا، انعطاف پذیری بالا و انتقال حرارت مناسب میباشد.
برای ساخت نمونه ها، پس از ساخت مخلوط اپوکسی/ نانوسیلیکا و بعد از انجام عملیات حباب زدایی و سرد شدن آن تا درجه حرارت محیط، میزان محاسبه شده از سخت کننده به مخلوط تهیه شده اضافه میشود و به مدت 2 دقیقه به آرامی با دست همزده میشود. سپس محلول تهیه شده به آرامی به قالبهای سیلیکونی مربوط به نمونه های کشش و خمش ریخته میشوند.
در این مرحله سعی شده تا درجه حرارت اپوکسی/ نانوسیلیکا تولید شده قبل از افزودن سخت کننده تا دمای محیط کاهش یابد تا عمل پختَ با سرعت کمتری صورت گیرد. پخت نمونه ها ابتدا به صورت هوا پخت و در دمای محیط و سپس در آون صورت میگیرد. تعداد نمونه های ساخته برای انجام هر یک از آزمون های کشش و خمش در هر درصد وزنی از نانوذرات سیلیکا، 3 عدد بوده است. نمونه های مربوط به آزمونهای کشش تک محوری و خمش سه نقطه ای در شکل 1 نشان داده شده اند.
