توصيفگر ها :
آيروژل كربني , اصلاح شيميايي سطح , بلانكت دوجزئي , كامپوزيت ليفي , خواص مكانيكي
چكيده فارسي :
هواژل (آيروژل)، يكي از انواع مواد متخلخل است كه طي فرآيند سل-ژل، جزء مايع سوسپانسيون با گاز جايگزين شده و بدون فروپاشي منافذ به¬صورت يك نانوساختار با حجم هواي بيش از 90% به¬دست مي¬آيد. امروزه، استفاده از انواع مختلف هواژل در كامپوزيت¬هاي پليمري رشد و گسترش بسياري يافته¬است. يكي از انواع هواژل¬ها، هواژل¬هاي كربني هستند كه به¬دليل خواص فيزيكي و شيميايي خاص خود در كامپوزيت¬هاي پليمري مورد توجه قرار گرفته¬اند. علي رغم پژوهش¬هاي گسترده در زمينه بهبود خواص سطحي هواژل¬هاي كربني، تا كنون هواژل¬هاي كربني اصلاح¬شده با مواد سيلاني به¬عنوان پوشش الياف بازالت مورد مطالعه قرار نگرفته¬است. هدف اصلي اين پژوهش، سنتز ذرات هواژل كربني ¬و اصلاح سطح آن¬ها با پوشش سيلاني و كاربرد آن¬ها بهعنوان تقويتكننده در كامپوزيت¬هاي اپوكسي/الياف بازالت است. در ادامه تاثير متغيرهاي مختلف ساختاري شامل اندازه و توزيع حفرات، سطح مخصوص و گروه¬هاي عاملي سطحي بر خواص بلانكت¬هاي دو جزئي و خواص مكانيكي كامپوزيت¬هاي ليفي بررسي مي¬شود. از اين رو، دو عامل بهعنوان متغير اصلي در نظر گرفته شد: عامل اول، تغيير در خواص فيزيكي، شيميايي و ساختاري هواژل و عامل دوم، تغيير در غلظت ذرات هواژل كربني است. ابتدا، در ساختار هواژل از اصلاح شيميايي سطح توسط ماده جفتكننده سيلاني استفاده شد. ماده سيلاني، با ايجاد اتصال شيميايي و نفوذ مولكولي سبب افزايش چسبندگي ميان هواژل و پليمر زمينه كامپوزيت (رزين اپوكسي) مي¬شود. . از اين رو، سه نوع تقويت كننده ذره¬اي شامل هواژل كربني خام، هواژل كربني اصلاح شده با سيلان و هواژل ذره¬اي اصلاح شده با سيلان در محيط خلاء تهيه شد. سپس، غلظت¬هاي مختلف تقويت كننده¬هاي ذره¬اي شامل مقادير 0/1 ، 0/3 و 0/5 درصد وزني-وزني هواژل بر روي الياف بازالت مورد بررسي قرار گرفت و پس از تشكيل بلانكت¬ها، كامپوزيت¬هاي ليفي نهايي با استفاده از فرآيند تزريق به¬كمك خلا (VIP ) تهيه شدند. براي بررسي ساختار فيزيكي، شيميايي و مورفولوژي هواژل¬ها از آزمايش جذب و واجذب گاز نيتروژن، طيف سنجي تبديل فوريه (FTIR) و ميكروسكوپ الكتروني روبشي (FESEM) استفاده شد. نتايج نشان دادند كه تمامي هواژل¬ها تخلخل بالاي 90% دارند. هواژل كربني خام، اصلاح شده با سيلان و اصلاح شده با سيلان در محيط خلاء به ترتيب با دانسيته0/2g/cm3، 0/18 و 0/19 و سطح مخصوص m2/g 416/4 ،632/38 و 603/77 مشخصه¬يابي شدند. مورفولوژي سطح مقطع بلانكت¬ها و سطح مقطع شكست كامپوزيت¬هاي ليفي با FESEM و زبري سنجي مورد مطالعه قرار گرفتند. خواص مكانيكي نمونهها نيز به كمك آزمايشهاي كششي، خمشي و پانچ برشي مورد بررسي قرار گرفتند. به¬طور كلي نتايج آزمايشهاي مكانيكي نشان دادند كه حضور هر سه نوع هواژل بر سطح الياف بازالت سبب بهبود خواص نمونههاي كامپوزيتي نسبت به نمونههاي فاقد تقويت كننده ذره¬اي شده است. به طوري¬كه آزمايشهاي كشش بهبود خواص استحكام كششي تا 39% و افزايش مدول كششي تا 12% را براي نمونههاي كامپوزيت ليفي، نشان دادند. اين نتايج به دليل افزايش چسبندگي و سطح تماس بين تقويتكننده ليفي و پليمر به¬دليل افزايش زبري سطح است كه منجر به افزايش موثر انتقال بار از زمينه به ليف مي¬باشد. از طرفي نفوذ زنجيرهاي پليمري به¬ درون ساختار متخلخل سه¬بعدي هواژل باعث افزايش بيشتر چسبندگي و جذب نيروي خارجي اعمال شده مي¬شود كه در نهايت خواص كامپوزيت را بهبود مي¬بخشد. از سوي ديگر، افزايش غلظت هواژل به دليل تمايل ذرات به چسبيدن به يكديگر، تجمع و كلوخهاي شدن رخ ميدهد و سبب افت خواص ميگردد. علاوه بر اين، توزيع نايكنواخت ذرات بر روي الياف نيز علت ديگر افت خواص مي¬باشد. در اين پژوهش، بهبود خواص كامپوزيت به دو ويژگي درگيري فيزيكي و مكانيكي بين تقويتكننده و پليمر زمينه و همچنين درگيري شيميايي با استفاده از ايجاد گروه¬هاي عاملي بر سطح هواژل كربني طي عمليات اصلاح سطح نسبت داده مي¬شود.
چكيده انگليسي :
One type of aerogels is carbon aerogel, which has been used in polymer composites due to their unique physical and chemical properties. Despite extensive research in improving the surface properties of carbon aerogels, the modification of carbon aerogels with silane materials as a coating for basalt fibers has not yet been investigated. The main objective of this research is synthesis and surface modification of carbon aerogel particles with silane coating, followed by their use as reinforcement in epoxy/basalt fiber composites. This research investigates the effects of various structural variables, including the size and distribution of pores, specific surface area, and surface functional groups, on mechanical properties of two-component blankets and fiber reinforced composites. Two main variables were considered: the first factor was the change in the physical, chemical, and structural properties of the aerogel, and the second factor was the change in the concentration of carbon aerogel particles. At the first step, chemical modification of the aerogel surface was employed using a silane coupling agent. The silane material enhances the adhesion between the aerogel and the polymeric matrix (epoxy resin) by forming a chemical bond and molecular penetration. Therefore, three types of particle reinforcements were prepared regarding the modification condition: raw carbon aerogel, carbon aerogel modified with silane, and carbon aerogel modified with silane under vacuum condition. Different particle contents, including 0.1, 0.3, and 0.5%wt., were coated on basalt fibers. The composites were then prepared using a vacuum-assisted injection (VIP) process. Nitrogen gas absorption and desorption tests, Fourier transform spectroscopy (FTIR), and scanning electron microscopy (FESEM) were employed to investigate the physical, chemical, and morphological characteristics of the aerogel particles. The results showed that all aerogels had a porosity above 90%. The densities of raw carbon aerogel, particles modified with silane, and particles modified with silane in a vacuum environment were 0.18, 0.2, and 0.19 g/cm3 and their specific surface areas were about 632.38, 416.4, and 603.77 m2/g, respectively. The cross-sectional morphology of blankets and the fractured surface area of fibrous composites were studied using FESEM and roughness analysis. The mechanical properties of the samples were also investigated using tensile, bending, and punch shear tests. The results of mechanical tests demonstrated that the presence of all three types of aerogels on the surface of basalt fibers improved the properties of composite samples. Specifically, tensile tests showed improvements in tensile strength of fiber reinforced composites up to 39% and an increase of tensile modulus up to 12%. The results were attributed to the increase in adhesion and the contact surface between the fiber reinforcement and the polymer due to the increase of surface roughness, which led to an effective increase in load transfer from the matrix to the fiber. Additionally, the penetration of polymer chains into the three-dimensional porous structure of the aerogel causes a further increase in adhesion and absorption of the applied energy. However, increasing aerogel content led to a decrease in properties due to the agglomeration effects between particles. Furthermore, the nonuniform distribution of particles on the fibers is another reason for the loss of properties. The improvement of composite properties in this research was attributed to the physical and mechanical interaction between the reinforcement and the base polymer, as well as chemical interaction with creation of functional groups on the surface of carbon aerogels during the surface modification operation.