توصيفگر ها :
ايروژل هاي كربني , اصلاح شيميايي سطح , نانوكامپوزيت , كامپوزيت ليفي , خواص مكانيكي , جذب انرژي
چكيده فارسي :
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.
چكيده انگليسي :
During the synthesis of porous materials by sol-gel method, when the liquid component of the suspension is removed and replaced with gas, a nanostructure without collapsing pores called aerogel is left, so that 90-99% of its volume is air. Has occupied. Considering the use of carbon structures as reinforcement in polymer matrix composites and performing surface modification operations with silane coupling agents on carbon materials such as carbon nanotubes and graphene nanosheets, no modification operations have been performed so far. Silane surface on carbon aerogel has not been done. The purpose of this research is to synthesize carbon aerogels and modify their silane surface with the aim of creating a different chemical structure and using them as reinforcements in the field of epoxy, for nanocomposites and fiber composites. In the following, the effect of changing the structure, including the size and distribution of holes, specific surface area and surface functional groups, on the mechanical properties and energy absorption of nanocomposites and fibrous composites is investigated. For this purpose, two factors were considered as variables: the first factor is the change in the physical, chemical and structural properties of the aerogel and the second factor is the change in the concentration of carbon aerogels. In order to evaluate the change in the aerogel structure, chemical surface modification by silane coupling agent was used. In fact, silanes are substances that increase the adhesion between aerogel and resin (base polymer) by creating chemical connection and molecular interpenetration. In order to influence the reinforcing concentration, the values of 0.1, 0.3 and 0.5% weight-weight of aerogel in epoxy polymer were used. In order to investigate the physical structure of aerogels, nitrogen absorption and desorption tests, their chemical structure using Fourier transform spectroscopy (FTIR) and their morphology using scanning electron microscopy (FESEM) were used. The results showed that the aerogels have a porosity above 85% and raw carbon aerogel, modified with silane and modified with acid and then silane, respectively, with densities of 0.27, 0.31 and 0.32 gr/cm3 and specific surface area are 618.03, 252.04 and 248.09 m2 /gr. Aerogels in different weight-weight percentages were mixed with epoxy base and after baking, nanocomposite and fibrous composite samples were obtained. The cross-sectional morphology of nanocomposites and the fracture surface of fibrous composites were evaluated by FESEM, as well as the mechanical properties of the samples using tensile tests, single-slot bending, shear punch and microdroplet tests. In general, the results of the mechanical tests showed that the presence of all three types of aerogels in the polymer field improved the properties of the composite samples compared to the control samples. So that tensile tests showed 83.62% increase in strength and 50% Young's modulus for nanocomposite samples and 81% increase in strength and 31% Young's modulus for fibrous composite samples. These results are due to the penetration of polymer chains into the aerogel cavities, increasing the contact surface between the reinforcement and the polymer, which leads to an effective increase in charge transfer from the background to the reinforcement. On the other hand, the three-dimensional porous structure of aerogel absorbs energy and applied external force, and the porous structure ultimately plays a role in improving properties.
