بخشی از مقاله
مطالعه خواص مکانیکی و رفتار شکست نانوکامپوزیت های اپوکسی‐ خاکرس
چکیده
در سالهای اخیر، افزودن فیلرهای نانومتری به مواد پلیمری بسیار مورد توجه محققین قرار گرفته است. اگرچه تحقیقات بسیاری در این زمینه متمرکز گردیده، اطلاعات بسیار محدودی در مورد خواص مکانیکی و شکست نانوکامپوزیتهای پلیمری موجود است. لذا با توجه به اهمیت اپوکسیها، هدف این مقاله شناخت رفتار مکانیکی و مکانیزم(های) شکست نانوکامپوزیتهای اپوکسی‐ خاکرس است. آنالیز تفرق اشعه ایکس (X-Ray Diffraction: XRD) نشاندهنده ساخت نانوکامپوزیتهایی با مورفولوﮊی Intercalated میباشد. نتایج آزمونهای مکانیکی (فشار، کشش و چقرمگی شکست) نشانگر این مطلب است که افزودن خاکرس نانومتری موجب افزایش استحکام تسلیم فشاری، مدول یانگ کششی و چقرمگی شکست نانوکامپوزیتها نسبت به اپوکسی خالص میگردد. با توجه به مطالعات سطح شکست به وسیله میکروسکوﭖ الکترونی روبشی (Scanning Electron Microscopy: SEM) به نظر میرسد مکانیزم افزایش چقرمگی این نوع نانوکامپوزیتها تشکیل سطوح جدید و رشد مرحلهای ترک باشد.
واﮊههای کلیدی: نانوکامپوزیت، اپوکسی، خاکرس، خواص مکانیکی و چقرمگی شکست،
مقدمه
طی ده سال اخیر، مواد نانوکامپوزیتی مورد توجه مجامع علمی و صنعتی قرار گرفتهاند و خاکرس در حجم قابل توجهی به عنوان نانوفیلر برای ساخت نانوکامپوزیتهای پلیمری استفاده میگردد ]٦‐١.[ در مورد نانوکامپوزیتهای پلیمری بهبود قابل توجه خواص مکانیکی (استحکام و صلبیت) و خواص حرارتی بدون تأثیر منفی بر چگالی و فرایندپذیری گزارش شده است ]٧‐١.[ پلیمرهای تقویت شده با خاکرس نانومتری علاوه بر دارا بودن مزایای فوق، نفوذپذیری کمی در برابر عبور آب و گاز دارند ]٩ و ٨.[ همچنین این مواد مقاومت خوبی در برابر آتش و اشعهماوراﺀبنفش دارند و از شفافیت قابل قبولی برخوردار هستند ]٩ و ٨.[ در میان انواع پلیمرها، رزینهای اپوکسی به دلیل استحکام مکانیکی و مقاومت حرارتی خوب و همچنین قابلیت چسبندگی عالی به اکثر مواد در ساخت کامپوزیتها، بستهبندی قطعات الکترونیک، ایجاد پوششهای صنعتی و همچنین در صنایع رنگ و چسب به وفور کاربرد دارند ]٩ و ٨.[
رزینهای اپوکسی علیرغم مزایایی که دارند بسیار ترد می باشند و تلاشهای بسیاری در راستای بهبود مقاومت در برابر اشاعه ترک در این خانواده از مواد صورت گرفته است و معمولاﹰ بهبود چقرمگی این مواد همراه با افت صلبیت آنها می باشد. در مورد نانوکامپوزیتهای اپوکسی نیز مطالعاتی انجام شده ولی تاکنون مکانیزم شکست این مواد ناشناخته است ]١٠‐ ٦ و ٢.[ لذا، با توجه به اهمیت اپوکسیها و رویکرد جهانی به سوی نانوکامپوزیتها و ناشناخته بودن مکانیزم شکست نانوکامپوزیتها، هدف این تحقیق مطالعه رفتار مکانیکی و شناخت مکانیزم شکست نانوکامپوزیتهای اپوکسی‐ خاکرس میباشد.
مواد و روش تحقیق
مواد مورد استفاده در این تحقیق شامل رزین اپوکسی و خاکرس اصلاح شده (Organoclay) است.
سیستم اپوکسی مورد استفاده، سیستم دو جزئی مایع شامل رزین اپوکسی (DGEBA) Diglycidyl Ether of Bisphenol A با نام تجاری Epon 828 و سختکننده Piperidine به ترتیب از محصولات شرکت Shell Chemical و Lovochemie است. خاکرس مصرفی با نام تجاری Nanolink DK1 از محصولات شرکت FCC است.
مراحل ساخت ترکیبات اپوکسی‐ خاک رس نانومتری به شرح ذیل میباشد. رزین اپوکسی و خاکرس با نسبت وزنی مشخص (٥/١، ٣ و ٥ درصد وزنی) مخلوط شده و در ادامه پس از افزودن سختکننده به مخلوط رزین اپوکسی و خاکرس ابتدا عمل اختلاط و هواگیری صورت گرفته است. پس از مخلوطسازی و هواگیری، مواد داخل قالب ریخته شده و پخت به مدت ۶۱ ساعت در ˚C ۰۲۱ صورت گرفته است. در مورد ساخت نمونههای اپوکسی خالص نیز عینﹰا مراحل فرایند نمودن اپوکسی‐ خاکرس انجام شده با این تفاوت که مرحله اختلاط رزین اپوکسی و خاک رس حذف گردیده است.
به منظور بررسی توزیع خاک رس در زمینه اپوکسی آزمایش تفرق اشعه ایکس با استفاده از دستگاه Philips PRO Xpert بر روی نمونهها صورت گرفته است. رفتار فشاری و کششی نانوکامپوزیتهای اپوکسی‐ خاکرس به ترتیب مطابق با استاندارد ASTM D695 و ASTM D638 با استفاده از یک دستگاه Hounsfeild مدل H10KS و سرعت اعمال نیروی mm/min١٠ و mm/min ۵ مورد ارزیابی قرار گرفته است. نتایج گزارش شده میانگین حداقل چهار داده میباشد. به منظور مطالعه رفتار شکست نانوکامپوزیتهای اپوکسی، چقرمگی شکست (KIC) این مواد با استفاده از نمونههای تک شیاری تحت خمش سه نقطه١ مطابق با استاندارد ASTM D5045 به وسیله دستگاه Hounsfeild اندازه گرفته شده و برای اطمینان از صحت نتایج، در هر مورد سه نمونه مورد آزمایش قرار گرفت. سطح شکست نمونههای مختلف با استفاده از میکروسکوﭖ الکترونی روبشی Cam Scan مورد مطالعه قرار گرفته و به منظور جلوگیری از جمع شدن بار در نمونهها سطح آنها پوشش طلا داده شده است.
یافتهها
مطالعات تفرق اشعه ایکس نشان دهنده توزیع خاکرس در زمینه اپوکسی با مورفولوﮊی Intercalated و افزایش فاصله بین صفحات خاکرس است. به عبارت دیگر نانوکامپوزیتهای اپوکسی‐ خاکرس با مورفولوﮊی Intercalated ساخته شده است.
شکلهای ١ و ٢ به ترتیب نشان دهنده تأثیر خاک رس نانومتری بر استحکام تسلیم فشاری و مدول یانگ کششی اپوکسی میباشند. مطابق شکلهای مذکور، افزودن خاکرس نانومتری به رزین اپوکسی منجر به افزایش استحکام تسلیم فشاری و مدول الاستیک کششی میشود. محدوده تغییرات تنش تسلیم فشاری از MPa ٧٠/٩١ تا MPa ١١/٩٥ و مدول کششی از MPa ٢٨٦٠ تا MPa ٣٨٠٠ است. میزان افزایش مدول الاستیک در سیستم تقویت شده با خاک رس نانومتری نسبت به اپوکسی خالص ٤٣% میباشد.
نتایج حاصل از آزمایش چقرمگی شکست در شکل ٣ رسم گردیده است. همانطورکه در شکل ٣ مشاهده میگردد، نانوکامپوزیتهای اپوکسی چقرمگی بیشتری نسبت به اپوکسی خالص دارند و چقرمگی نانوکامپوزیتها تابعی از مقدار نانوفیلر است. محدوده تغییرات چقرمگی شکست از MPa.m0.5٨٠/٠ تا MPa.m0.5 ١٩/١ متغیر است. چقرمگی نانوکامپوزیتهای اپوکسی‐ خاک رس حدود ٤٨% بهبود نسبت به چقرمگی شکست اپوکسی خالص نشان میدهد.
در شکل ٤ تصویر میکروسکوﭖ الکترونی روبشی (SEM) از سطح شکست اپوکسی خالص و نانوکامپوزیت اپوکسی‐ ۳% وزنی خاک رس مشاهده میگردد. مطابق شکل ٤، تفاوت قابل توجهی بین سطح شکست اپوکسی خالص و سیستم اپوکسی‐ خاک رس دیده میشود. سطح شکست اپوکسی خالص کاملاﹰ صاف و نشانگر شکست ترد است، درحالیکه سطح شکست اپوکسی‐ خاک رس ناصاف و زبر به نظر می رسد. لازم به ذکر است که تصویر سطح شکست نانوکامپوزیت حاوی ٣% وزنی خاکرس به عنوان نمونه آورده شده و سطح شکست سایر نانوکامپوزیتها نیز مشابه
