توصيفگر ها :
رزين اپوكسي , چقرمگي , گرافيت كربن نيتريد , لاستيك مايع , نانوكامپوزيت هيبريدي
چكيده فارسي :
رزين اپوكسي به دليل چسبندگي بالا، مقاومت شيميايي و حرارتي مناسب و جمعشدگي كم پس از پخت برتري قابل توجهي نسبت به ساير پليمرهاي گرماسخت دارد. با اين حال بهدليل ساختار شبكهاي و چگالي بالاي اتصالات عرضي، رفتاري شكننده و مقاومت ضعيفي در برابر انتشار ترك دارد. ازاينرو، افزايش چقرمگي و بهبود خواص مكانيكي آن يكي از چالشهاي اساسي و مهم پژوهشي به شمار ميرود. در اين پژوهش، بهمنظور بررسي جامع خواص فيزيكي، مكانيكي و حرارتي سامانه كامپوزيتي بر پايهي رزين اپوكسي، لاستيك مايع با نام كوپليمر بوتاديان اكريلونيتريل با گروههاي انتهايي كربوكسيل (CTBN) و نانوصفحات گرافيت كربن نيتريد آزمونهاي كشش، خمش، FTIR، DSC، TGA و SEM در قالب دو روش مجزا بر روي نمونهها انجام شد. در روش نخست با افزودن لاستيك مايع در بازهي phr 5 تا phr 20 به رزين اپوكسي مشخص شد كه نمونه حاوي phr 15 لاستيك مايع بالاترين ميزان چقرمگي را ارائه ميدهد، بهگونهاي كه نسبت به نمونه شاهد افزايش 8/19 درصدي در چقرمگي و 6/24 درصدي در ازدياد طول تا شكست را نشان داد. در مقابل، استحكام و مدول كششي به ترتيب 3/15 و 2/15 درصد كاهش يافتند. همچنين استحكام و مدول خمشي نيز به ترتيب كاهشي معادل 3/13 و 3/20 درصدي نسبت به نمونه شاهد داشتند. تصاوير حاصل از آزمون SEM نيز تشكيل حفرهها و دو فازي شدن سامانه را تأييد نمودند. نتايج حاصل از آزمونهاي DSCو TGA نيز به ترتيبب كاهش 3/5 درصدي در دماي انتقال شيشهاي و افت پايداري حرارتي سامانه را نشان دادند. در روش دوم مقدار بهينه لاستيك مايع ثابت در نظر گرفته شد، سپس با افزودن نانوصفحات گرافيت كربن نيتريد در بازهي 25/0 تا 1 درصد وزني، نانوكامپوزيتهاي هيبريدي تهيه شدند. آزمونهاي مكانيكي و حرارتي مشابه روش اول بر روي نمونههاي هيبريدي نيز انجام شد. بهترين عملكرد براي نمونه حاوي 75/0 درصد وزني گرافيت كربن نيتريد به دست آمد كه افزايشي معادل 5/17 درصدي در استحكام كششي، 14 درصدي در مدول كششي، 2/6 درصدي در چقرمگي و 4/2 درصدي در ازدياد طول تا شكست نسبت به نمونه فاقد گرافيت كربن نيتريد نشان داد. تحليل تصاوير SEM نيز بيانگر تغيير ريختشناسي سطح شكست با افزايش مقدار گرافيت كربن نيتريد بود. نتايج به دست آمده از آزمون DSC نيز نشان داد كه افزودن گرافيت كربن نيتريد موجب افزايش محدود دماي انتقال شيشهاي ميگردد؛ بهطوريكه نمونه حاوي 5/0 درصد وزني گرافيت كربن نيتريد افزايش 7/2 درصدي در دماي انتقال شيشهاي داشت. بررسي دادههاي حاصل از آزمون TGA نيز نشان داد كه حضور گرافيت كربن نيتريد تأثير قابل توجهي بر پايداري حرارتي سامانه ندارد. در كل، اين پژوهش نشان داد كه افزودن لاستيك مايع به اپوكسي منجر به افزايش چقرمگي و درعينحال افت برخي خواص همانند استحكام، مدول و دماي انتقال شيشهاي ميگردد. در مقابل، افزودن نانوصفحات گرافيت كربن نيتريد به اين سامانه بخشي از اين كاهشها جبران شده و ضمن بهبود خواص مكانيكي، پايداري حرارتي كل سامانه نيز تا حدودي حفظ ميشود.
چكيده انگليسي :
Epoxy resin possesses excellent adhesion, outstanding chemical and thermal resistance, and minimal shrinkage upon curing, which together provide significant advantages over other thermosetting polymers. Nevertheless, its highly crosslinked network structure results in intrinsic brittleness and limited resistance to crack propagation. Consequently, enhancing the toughness and overall mechanical performance of epoxy resins remains a fundamental and ongoing research challenge. In this study, liquid rubber in the form of a carboxyl-terminated butadiene–acrylonitrile copolymer (CTBN) and carbon nitride nanosheets (g-C₃N₄) were incorporated into an epoxy resin matrix to systematically investigate the resulting physical, mechanical, and thermal properties. The prepared composites were characterized using tensile and flexural tests, FTIR, DSC, TGA, and SEM. Two distinct experimental approaches were employed to evaluate the effects of these modifiers on the epoxy resin system. In the first approach, liquid rubber CTBN was incorporated into the epoxy matrix at concentrations ranging from 5 to 20 phr. The results showed that the sample with 15 phr CTBN exhibited the best performance in terms of toughness, with a 19.8% increase in toughness and a 24.6% improvement in elongation at break compared to neat epoxy. However, tensile strength and modulus decreased by 15.33% and 15.2%, respectively, while flexural strength and modulus declined by 13.3% and 20.3%. SEM micrographs confirmed void formation and phase separation, providing direct evidence of microstructural changes caused by rubber modification. DSC and TGA analyses further revealed a 5.3% reduction in glass transition temperature along with decreased thermal stability, indicating the negative impact of CTBN addition on the thermal behavior of epoxy. In the second approach, the optimum CTBN content was fixed, and hybrid nanocomposites were fabricated by incorporating carbon nitride nanosheets at concentrations between 0.25 and 1 wt%. This strategy allowed the evaluation of the synergistic effects of nanosheets on the modified epoxy. Mechanical and thermal characterizations showed that the sample with 0.75 wt% nanosheets offered the most balanced performance, with improvements of 17.5% in tensile strength, 14% in tensile modulus, 6.2% in toughness, and 2.4% in elongation at break compared to the CTBN-only system. SEM analysis also revealed progressive changes in fracture surface morphology with increasing nanosheet content. Moreover, DSC results indicated a slight increase in glass transition temperature, with the 0.5 wt% sample showing a 2.7% enhancement, suggesting a modest yet positive effect of nanosheet incorporation. TGA data demonstrated that carbon nitride addition had no significant influence on thermal stability. Overall, the study demonstrated that CTBN incorporation greatly improves the toughness of epoxy but compromises tensile strength, stiffness, and thermal stability, reflecting a trade-off between fracture resistance and other properties. In contrast, the inclusion of carbon nitride nanosheets partially offset these drawbacks, leading to improved mechanical performance while largely maintaining thermal stability. These findings highlight the synergistic effect of nanosheet incorporation and suggest a promising route for developing high-performance epoxy-based hybrid composites suitable for advanced structural applications.