سنتز و اصلاح شيميايي سطح ايروژل كربن و بررسي اثر آن بر خواص جذب انرژي مكانيكي كامپوزيت اپوكسي/الياف بازالت

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي نساجي

كارشناسي ارشد

در طي مراحل سنتز مواد متخلخل به روش سل-ژل، زماني كه جزء مايع سوسپانسيون حذف و با گاز جايگزين شود، يك نانوساختار بدون فروپاشي منافذ به نام ايروژل بر جاي مي¬گذارد، به طوري¬كه 90-99% حجم آن را هوا اشغال كرده است. با توجه به استفاده از ساختارهاي كربني به عنوان تقويت¬كننده در كامپوزيت¬هاي زمينه پليمري و انجام عمليات اصلاح سطح با مواد جفت¬كننده سيلاني بر روي مواد كربني نظير نانولوله¬هاي كربني و نانوصفحه¬هاي گرافني، تا به حال هيچ عمليات اصلاح سطح سيلاني بر روي ايروژل كربني انجام نشده-است. هدف از انجام اين پژوهش، سنتز ايروژل¬هاي كربني و اصلاح سطح سيلاني آن¬ها با هدف ايجاد ساختار شيميايي متفاوت و كاربرد آن¬ها به¬عنوان تقويت¬كننده در زمينه اپوكسي، براي نانوكامپوزيت¬ها و كامپوزيت¬هاي ليفي است. در ادامه تاثير تغيير ساختار شامل اندازه و توزيع حفرات و مساحت سطح مخصوص و گروه¬هاي عاملي سطحي بر خواص مكانيكي و جذب انرژي نانوكامپوزيت¬ها و كامپوزيت¬هاي ليفي بررسي مي¬شود. بدين منظور دو عامل به¬عنوان متغير در نظر گرفته شد: عامل اول، تغيير در خصوصيات فيزيكي، شيميايي و ساختاري ايروژل و عامل دوم، تغيير غلظت ايروژل¬هاي كربني است. جهت ارزيابي تغيير در ساختار ايروژل از انجام عمليات اصلاح سطح شيميايي توسط ماده جفت¬كننده سيلاني استفاده شد. در واقع سيلان¬ها موادي هستند كه با ايجاد اتصال شيميايي و در هم نفوذ مولكولي سبب افزايش چسبندگي ميان ايروژل و رزين (پليمر زمينه) مي¬شود. جهت تاثير غلظت تقويت¬كننده از مقادير 1/0 ، 3/0 و 5/0 درصد وزني-وزني ايروژل در پليمر اپوكسي استفاده شد. جهت بررسي ساختار فيزيكي ايروژل¬ها از آزمايش جذب و واجذب نيتروژن، ساختار شيميايي آن¬ها از طيف سنجي تبديل فوريه (FTIR) و مورفولوژي آن¬ها به كمك ميكروسكوپ الكتروني روبشي (FESEM) استفاده شد. نتايج نشان دادند ايروژل¬ها داراي تخلخل بالاي 85% و ايروژل كربني خام ، اصلاح شده با سيلان و اصلاح شده با اسيد و سپس سيلان به ترتيب با دانسيته gr/cm3 27/0 ، 31/0 و 32/0 و سطح مخصوص m2/gr 08/613 ، 04/252 و 09/248 هستند. ايروژل¬ها در درصدهاي وزني-وزني مختلف با زمينه اپوكسي مخلوط و پس از پخت، نمونه¬هاي نانوكامپوزيتي و كامپوزيت ليفي نهايي حاصل شدند. مورفولوژي سطح مقطع نانوكامپوزيت¬ها و سطح شكست كامپوزيت¬هاي ليفي با FESEM و همچنين خواص مكانيكي نمونه¬ها به كمك آزمايش¬هاي كششي، خمشي تك شكاف، پانچ برشي و آزمايش ريزقطره مورد ارزيابي قرار گرفتند. به طور كلي نتايج آزمايش¬هاي مكانيكي نشان دادند، حضور هر سه نوع ايروژل در زمينه پليمري سبب بهبود خواص نمونه¬هاي كامپوزيتي نسبت به نمونه¬هاي شاهد شده است. به طوري¬كه آزمايش¬هاي كشش افزايش62/83% استحكام و 50% مدول يانگ براي نمونه¬هاي نانوكامپوزيتي و افزايش81% استحكام و 31% مدول يانگ براي نمونه¬هاي كامپوزيت ليفي، نشان دادند. اين نتايج به دليل نفوذ زنجيره¬هاي پليمري به داخل حفرات ايروژل، افزايش سطح تماس بين تقويت¬كننده و پليمر است كه منجر به افزايش موثر انتقال بار از زمينه به تقويت¬كننده مي باشد. از طرفي ساختار متخلخل سه بعدي ايروژل باعث جذب انرژي و نيروي خارجي اعمال شده مي¬شود كه ساختار متخلخل در نهايت به صورت بهبود خواص ايفاي نقش مي¬كند. همچنين انجام عمليات اصلاح سطح با اسيد و سيلان سبب بهبود خواص نمونه¬هاي كامپوزيتي نسبت به نمونه¬هاي حاوي ايروژل اصلاح سطح نشده، شده است به طوري كه استحكام كششي 42% و مدول يانگ 15% افزايش نشان دادند. در آزمايش¬هاي خمشي نيز نمونه¬هاي كامپوزيتي حاوي ايروژل كربني اصلاح شده با سيلان و اصلاح شده با اسيد و سپس سيلان به ترتيب، افزايش 75% و 114% چقرمگي شكست و افزايش %317 و 551% انرژي شكست نسبت به نمونه¬هاي كامپوزيتي حاوي ايروژل كربني اصلاح سطح نشده از خود نشان دادند. بررسي نتايج آزمايش¬هاي برشي براي نانوكامپوزيت¬ها و آزمايش¬هاي انجام شده بر روي نمونه¬هاي كامپوزيت ليفي نشان داد كه انجام عمليات اصلاح شيميايي سطح تاثير چشم¬گيري بر خواص مكانيكي اين نمونه¬هاي كامپوزيتي نداشته است. لازم به ذكر است در بعضي از موارد، در غلظت¬هاي بالاتر ايروژل به دليل تمايل ذرات ايروژل به يكديگر، تجمع و كلوخه¬اي شدن تقويت¬كننده رخ مي¬دهد و سبب افت خواص مي¬گردد. در اين پژوهش علاوه بر بهره¬گيري از ويژگي درگيري فيزيكي و مكانيكي بين تقويت¬كننده و پليمر زمينه، از ويژگي درگيري شيميايي به كمك ايجاد گروه¬هاي عاملي بر روي ايروژل كربني با انجام عمليات اصلاح سطح استفاده شد و بهبود خواص به همه اين عوامل نسبت داده مي¬شود.

215885

الياف پليمري

مهندسي نساجي

دانشگاه صنعتي اصفهان

سعيد سليميان

مهدي حجازي، زهرا طالبي

علي زادهوش