c (3192)

By92

c (3192)

پژوهشکده فرآیند
تهیه نانو کامپوزیت‌های هیبریدی
بر پایه رزین یورتان- اکریلات/الیاف طبیعی/نانو رس و بررسی خواص آن‌ها
پایان‌نامه كارشناسي ارشد رشته مهندسي علوم و تکنولوژی پليمر
رضا گشتیل
اساتيد راهنما:
دکتر مسعود اسفنده
دکتر سید مجتبی میرعابدینی
استاد مشاور:
مهندس امیرمسعود رضادوست
زمستان 1389
تشكر و قدرداني :
اساتید ارجمند و گران‌قدرم جناب آقايان” دکتر مسعود اسفنده ” ،” دکتر سید مجتبی میر عابدینی ” و استاد همیشه همراه و همپا جناب آقای ” مهندس امیرمسعود رضادوست”
دست‌هایتان را مقدس می‌دارم كه روايتگر عشق ، علم و عمل است كه در تلاقي اين سه مرا را به ساحل سر بلندي می‌رسانید . ايمانتان را درود می‌فرستم كه در اوج تعهد و ايثار از حق ماديتان گذشتيد و بهترين اوقات زندگي خودتان را در سكوي دانشگاه ، پيام علم زمزمه كرديد .

**************

اساتيد محترم اميدوارم كه همچنان در تمامي مراحل زندگي شخصي و علمي در پناه الطاف الهي موفق و مؤيد باشيد .
چشمانتان پر فروغ ، دستانتان پر توان و ايمانتان جاودان باد .

كليه حقوق مادي مترتب بر نتايج مطالعات،
ابتكارات و نوآوری‌های ناشي از تحقيق موضوع
اين پايان نامه (رساله) متعلق به پژوهشگاه
پليمر و پتروشيمي ايران می‌باشد

فرازي از سخنان دكتر علي شريعتي :
اي جوان :
تو ميداني و همه ميدانند كه زندگي از تحميل لبخند بر لبان من ، از آوردن برق اميدي در نگاه من ، از برانگيختن موج شعفي در دل من عاجز است.
تو ميداني و همه ميدانند كه شكنجه ديدن به خاطر تو ، زنداني كشيدن به خاطر تو و رنج بردن به پای تو تنها لذت بزرگ زندگي من است ، از شادي توست كه من در دل می‌خندم ، از اميد رهايي توست كه برق اميد در چشمان خسته‌ام می‌درخشد و از خوشبختي توست كه هواي پاك سعادت در ریه‌هایم احساس می‌کنم.

**************

نمی‌توانم خوب حرف بزنم ،
نيروي شگفتي مرا در زير اين كلمات ساده ، جمله‌های ضعيف و افتاده پنهان كرده . مرا درياب ! درياب !
استاد دكتر علي شريعتي
پروردگارا :
به من توفيق تلاش در شكست ، صبر در نا اميدي ، رفتن بي همراه ، كار بي پاداش ، فداكاري در سكوت ، تنهايي در انبوه جمعيت و دوست داشتن بي آنكه دوست بداند روزي كن.

تقديم به بارگاه ملكوتي ثامن‌الحجج :
به پاكي تو وضو می‌گیرم ، به صداقت آبی‌ات اقتدا می‌کنم ، با ايمان به خلوص سبزت به سجده می‌روم ، اين دل نذر ضريح چشم‌هایت يا رضا (ع) ،
در آستانه گنبد طلائی‌ات من فقط يك اشتياق نورانی‌ام.

به مهدي فاطمه (ع):
بيا كه چشماني غمناك و صبور هنوز به انتظار آمدنت نشسته‌اند ، بيا كه دستاني روزهاي پوچ بي تو بودن را به اميد لحظه حضورت هاشور می‌زنند ، اي گل نرجس ! بيا تا چشمانم زیبایی‌ات را به قلم هديه دهند و در اين سو قلبي آمدنت را به شادماني بنشيند.
به اميد آن روز …

تقديم به
پدر بزرگوارم :
پيشكشي ناچيز به محضر پدر بزرگوار و عزيزم ، او كه به من آموخت دردهاي بزرگ از آن مردان بزرگ است، ليكن از آن به كوچكي ياد می‌کنند و دردهاي كوچك از آن مردان كوچك و به من آموخت تا انتخاب كنم كه در زمره كدامين باشم .

**************

پدر عزيزم ،
گرچه‌ گوهري كه شايسته نثارت باشد در خود سراغ ندارم، اما آنچه بدان دست یافته‌ام را به تو تقديم می‌کنم باشد كه اين اندك، قطره‌ای از درياي لطف و رحمتت را جبران كند.

تقديم به
مادر مهربانم :
كه بدون شنیدن صدای آرامش بخش ايشان گردآوري اين مجموعه ميسر نبود.
او كه فروغ نگاهش، گرمي كلامش و روشني رويش سرمايه جاوداني زندگي من است و وجود پر مهرش به رایم عزيزترين است . او كه وجودش برایم همه مهر است و مهر و ايثار من به پايش هيچ است و هيچ .

**************

مادر عزيزم ،
در برابر وجود نازنينت زانوي ادب بر زمين می‌نهم و با دلي مالامال از عشق و محبت متواضعانه بر دستانت بوسه می‌زنم .

تقديم به
خواهران و همسر عزيزم :
كه هميشه از محبت‌هایشان برخوردار بوده‌ام و صميمانه دوستشان دارم اميدوارم كه توانسته باشم هر چند لحظه‌ای شادي را بر لب‌ها و چشم‌های پر فروغشان بیفشانم .

**************

تقديم و تقدير :
كلمات بيانگر مكنونات قلبی‌ام نيست،
سكوت نمايانگر كامل احساسم نيست،
هنر نمايشگر واقعي عواطفم نيست،
در زمينه راه جواني به دوستان عزيزم پيشكش می‌کنم..

و
تقدیم به دوست عزیزتر از جانم که تنها خاطرش در خاطرم ماند..
مسعود عزیز
گرچه به ظاهر نیست اما یادش همیشه و همه حال همراهم بوده..
فهرست
عنوان صفحه
فصل اول : مقدمه1
1-1-کامپوزیت‌ها1
1-2-نانو فناوری2
1-3-نانو کامپوزیت‌ها3
1-3-1-تاریخچه تهیه و استفاده از نانو کامپوزیت‌ها3
1-3-2-معرفی نانو کامپوزیت‌ها3
1-4-هدف4
فصل دوم : مروری بر مطالعات انجام شده5
2-1-فاز پیوسته (زمینه/ماتریس)5
2-1-1-رزین یورتان-اکریلات5
2-1-2-رزينهاي پلي استر غير اشباع6
2-1-3-رزينهاي وينيل استر7
2-2-الیاف8
2-2-1-ویژگی‌های الیاف طبیعی9
2-2-2-روش‌های اصلاح الیاف طبیعی10
2-3-نانو ذرات15
2-3-1-سيليكات‌هاي لايه‌اي15
2-3-2-ساختمان و خواص سیلیکات‌‌های لایه‌ای آلی دوست17
2-4-انواع نانو کامپوزیت‌‌های خاک رس18
2-4-1-میکرو کامپوزیت18
2-4-2-نانو کامپوزیت در هم رفته18
2-4-3-نانو کامپوزیت ورقه شده18
2-5-روش‏‌های تهیه نانوکامپوزیت‌‌های پلیمری19
2-5-1-پليمريزاسيون نفوذی درجا19
2-5-2-درهم گرفتگي پلیمر یا پیش پلیمر از محلول ( محلولی)20
2-5-3-اختلاط مذاب20
2-6-روش‏‌های شناسایی نانوکامپوزیت‌‌های لایه‌ای20
2-6-1-پراش اشعه ایکس20
2-6-2-میکروسکوپی الکترونی عبوری21
2-6-3-ساير تكنيك‌هاي شناسايي22
2-7-روش‌های شکل دهی کامپوزیت‌ها22
2-7-1-قالب‌گیری رزین تحت خلاً23
2-7-2-تجهیزات فرآیند قالب‌گیری رزین تحت خلاً و راه اندازی24
2-8-تحقیقات گزارش شده27
2-8-1-نانو کامپوزیت‌های حاوی نانو ذرات رس27
2-8-2-کامپوزیت‌های تقویت شده با الیاف طبیعی30
2-8-3-نوآوری در پژوهش35
فصل سوم : بخش تجربی36
3-1-مواد و تجهیزات36
3-1-1-مواد36
3-1-2-تجهیزات41
3-2-روش آزمون42
3-2-1-پخش و باز نمودن نانو ذرات در ماتریس رزینی43
3-2-2-اصلاح سطح الیاف44
3-3-مشخصه یابی پخش نانو‌ذرات و آماده‌سازی سطح الیاف45
3-3-1-ویسکوزیته45
3-3-2-آزمون پراش اشعه ایکس45
3-3-3-میکروسکوپ الکترونی روبشی / تجزیه پرتو ایکس با انرژی پاشنده45
3-3-4-میکروسکوپ الکترونی عبوری45
3-3-5-آزمون‌های مشخصه یابی آماده سازی سطح الیاف45
3-4-تهیه و تولید کامپوزیت و نانو کامپوزیت‌ها46
3-4-1-تهیه قالب چوبی46
3-4-2-تهیه قالب سیلیکونی46
3-4-3-سیستم پخت رزین یورتان-اکریلات48
3-4-4-تهیه کامپوزیت‌های پر شده با نانو ذرات با استفاده از فرآیند ریخته‌گری48
3-4-5-تولید کامپوزیت‌های تقویت شده با الیاف طبیعی توسط فرآیند قالب‌گیری رزین تحت خلاً49
3-5-آزمون‌های تعیین خواص نمونه‌‌های کامپوزیتی51
3-5-1-آزمون کشش51
3-5-2-آزمون خمش52
3-5-3-آزمون ضربه52
3-5-4-شکاف زن52
3-5-5-سختی سنجی بارکول52
3-5-6-سرعت سوختن52
3-5-7-جذب آب52
فصل چهارم : نتایج و بحث54
4-1-نانوکامپوزیت‌‌های بر پایه رزین یورتان-اکریلات و نانو ذرات خاک رس54
4-1-1-مشخصه یابی نانو کامپوزیت54
4-1-2-خواص مکانیکی و فیزیکی60
4-2-کامپوزیت‌ها و نانوکامپوزیت‌‌های یورتان‌اکریلات تقویت شده با الیاف فلاکس قبل و بعد از اصلاح سیلانی الیاف74
4-2-1-مشخصه یابی کامپوزیت‌ها و نانو کامپوزیت‌ها74
4-2-2-خواص فیزیکی و مکانیکی78
فصل پنجم : نتیجه‌گیری و پیشنهادات88
5-1-نتیجه‌گیری88
5-2-پیشنهادات جهت ادامه تحقیق90
فصل ششم : مراجع و منابع92
6-1-منابع و مراجع92

فهرست شکل‌ها
شکل صفحهشکل 1-1 : رابطه تقریبی شعاع ذره با سطح آن3شکل 2-1 : شمایی از نحوه‌ی تهیه رزین یورتان-اکریلات6شکل 2-2 : شمایی از نحوه‌ی تهیه رزین پلی استر7شکل 2-3 : شمایی از نحوه‌ی تهیه رزین وینیل استر8شکل 2-4 : شماتیک الیاف طبیعی8شکل ‏12-5 : ساختار کریستالی سیلیکات‏‌های لایه‌ای16شکل ‏126 : شماتیک اصلاح خاك رس18شکل27 : ساختار نمادین سه نوع نانو کامپوزیت حاصل از اختلاط رس19شکل 2-8 : نمودار‌های XRD یک نمونه فلوئوروهکتوریت در ماتریس HDPE21شکل 2-9 : نحوه قرار گیری و ترتیب تجهیزات فرآیند قالب‌گیری رزین تحت خلاً24شکل 2-10 : نحوه‌ی چیدمان اجزای فرآیند جهت پرهیز از ورود رزین به خلأ26شکل 3-1: نحوه تهیه و ساختار شیمیایی رزین یورتان-آکریلات37شکل 3-2: تصویر پراش اشعه ایکس نانو ذرات خاک رس39شکل 3-3: الیاف کتان (فلاکس) با آرایش تک جهته39شکل 3-4: ساختار شیمیایی تری اتو کسی وینیل سیلان40شکل 3-5: شماتیک کلی کار انجام شده در پروژه42شکل 3-6: شماتیک روند تهیه رزین حاوی نانو ذرات44شکل 3-7: شماتیک اصلاح الیاف44شکل 3-8: تصویر نهایی قالب سیلیکونی ساخته شده جهت تهیه نمونه‌های آزمون به روش ریخته‌گری47شکل 3-9: تعدادی از نمونه‌های آزمون تهیه شده توسط فرآیند ریخته گری47شکل3-10: نمودار دما-زمان مدت زمان ژل برای رزین یورتان-اکریلات48شکل 3-11: شماتیک تهیه صفحات کامپوزیتی تقویت شده با الیاف توسط فرآیند قالب گیری رزین تحت خلاً49شکل 3-12: صفحه‌ی تولید شده توسط فرآیند قالب‌گیری رزین تحت خلاً، قبل از برش51شکل 3-13: قطعه برش خورده از صفحه تولید شده توسط فرآیند قالب‌گیری رزین تحت خلاً51شکل 4-1 : منحنی تغییرات ویسکوزیته رزین با افزایش میزان نانو ذرات خاک رس55شکل 4-2 : تصاویر پراش اشعه ایکس نانو کامپوزیت‌های حاوی 0، 5/0، 5/1، 3، 5، 7 و 10 درصد وزنی نانو ذرات خاک رس56شکل 4-3 : ریز نگار میکروسکوپ الکترونی عبوری نمونه حاوی 3 درصد نانو خاک رس58شکل4-4: ریز نگار تجزیه پرتو ایکس با انرژی پاشنده (پخش آلومینیوم) نمونه RP+3N59شکل 4-5: نمودار تجزیه پرتو ایکس با انرژی پاشنده (مبنی بر وجود نانو ذرات) نمونه RP+3N59شکل 4-6: ریز نگار تجزیه پرتو ایکس با انرژی پاشنده (پخش آلومینیوم) نمونه RP+7N60شکل 4-7: نمودار تجزیه پرتو ایکس با انرژی پاشنده (مبنی بر وجود نانو ذرات) نمونه RP+7N60شکل 4-8 : تغییرات استحکام و مدول کششی نانو کامپوزیت‌ها با افزایش میزان نانو ذرات از 0 تا 10 درصد وزنی61شکل 4-9: دو نمونه با مدولی یکسان (الف) استحکام بیشتر (ب) استحکام کمتر63شکل 4-10 : تغییرات ازدیاد طول رزین عاری از نانو ذرات قبل (الف) و بعد (ب) از آزمون کشش. تغییرات ازدیاد طول ماتریس حاوی نانو ذرات قبل (ج) و بعد (د) از آزمون کشش64شکل 4-11 : تغییرات ازدیاد طول نانو کامپوزیت‌های با درصد وزنی بالای نانو ذره و حاوی حباب‌های هوا قبل (الف) و بعد (ب) از آزمون کشش65شکل 4-12 : تغییرات استحکام و مدول خمشی نانو کامپوزیت‌ها با افزایش میزان نانو ذرات از 0 تا 10درصد وزنی66شکل 4-13 : تغییرات مقاومت در برابر ضربه نانو کامپوزیت‌ها با افزایش میزان نانو ذرات خاک رس از 0 تا 10 درصد وزنی68شكل 4-14: تصوير شماتيك مكانيزم افزايش استحكام ضربه در نانو کامپوزیت‌های حاوي نانو ذرات68شکل 4-15: تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی نمونه RP69شکل 4-16: تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی نمونه RP+3N70شکل 4-17: تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی نمونه RP+7N70نمودار 4-18 : تغییرات جذب آب نانو کامپوزیت‌ها با افزایش میزان نانو ذرات خاک رس از 0 تا 10 درصد وزنی71نمودار 4-19 : تغییرات سختی بارکول نانو کامپوزیت‌ها با افزایش میزان نانو ذرات خاک رس از 0 تا 10 درصد وزنی72شکل 4-20: شماتیک طول پیموده شده جهت سوختن نمونه‌‌های حاوی 0 تا 10 درصد وزنی نانو ذرات خاک رس73شکل 4-21: (الف) تصویر میکروسکوپ الکترونی نمونه FRP (ب) تصویر تجزیه پرتو ایکس با انرژی پاشنده (پخش کربن) نمونه FRP (با بزرگنمایی 20 میکرومتر)75شکل 4-22: نمودار تجزیه پرتو ایکس با انرژی پاشنده نمونه FRP مبنی بر عدم وجود عوامل سیلانی و نانو ذرات75شکل 4-23 : (الف) تصویر میکروسکوپ الکترونی نمونه FRST (ب) تصویر تجزیه پرتو ایکس با انرژی پاشنده (پخش سیلان) نمونه FRST)(با بزرگنمایی 20 میکرومتر)76شکل 4-24 : نمودار تجزیه پرتو ایکس با انرژی پاشنده نمونه FRST مبنی بر وجود عامل سیلان در الیاف76شکل 4-25 : (الف) تصویر میکروسکوپ الکترونی نمونه FRSTN (ب) تصویر تجزیه پرتو ایکس با انرژی پاشنده (پخش سیلان) نمونه FRSTN (پ) تصویر تجزیه پرتو ایکس با انرژی پاشنده (پخش آلومینیوم) نمونه FRSTN (با بزرگنمایی 20‌میکرومتر) 77شکل 4-26 : نمودار تجزیه پرتو ایکس با انرژی پاشنده نمونه FRSTN مبنی بر وجود عامل سیلانی در الیاف و نانو ذرات در ماتریس رزینی77شکل 4-27 : تغییرات استحکام و مدول کششی نانو کامپوزیت‌های هیبریدی تقویت شده با الیاف فلاکس78شکل 4-28 : شماتیک فصل مشترک به وجود آمده پس از اعمال عامل اصلاح کننده سیلانی بین اجزاء کامپوزیت79شکل 4-29 : تغییرات مقاومت در برابر ضربه کامپوزیت و نانوکامپوزیت‌‌های هیبریدی82شکل 4-30: ریز نگار میکروسکوپ الکترونی روبشی نمونه FRP در ابعاد 50 میکرومتر (الف) و 20 میکرومتر (ب)83شکل 4-31: ریز نگار میکروسکوپ الکترونی روبشی نمونه FRST در ابعاد 50 میکرومتر (الف) و 20 میکرومتر (ب)83شکل 4-32: ریز نگار میکروسکوپ الکترونی روبشی نمونه FRSTN در ابعاد 50 میکرومتر (الف) و 20 میکرومتر (ب)84شکل 4-33 : تغییرات استحکام و مدول خمشی نانو کامپوزیت‌های هیبریدی تقویت شده با الیاف فلاکس85شکل 4-34 : تغییرات جذب آب کامپوزیت و نانو کامپوزیت‌های هیبریدی تقویت شده با الیاف فلاکس86
فهرست جداول
جدول صفحهجدول 2-1 : خواص الیاف فلاکس در مقایسه با الیاف شیشه9جدول 2-2 : تعدادی از سیلان‌ها و محدوده کاربرد آن‌ها13جدول 2-3 : چند نمونه از ترکیبات سیلانی با گروه آلی متفاوت13جدول 3-1 : خواص رزین مایع در دمایدC 2537جدول 3-2 : ترکیب درصد سیستم پخت نسبت به ماتریس پلیمری38جدول 3-3 : خواص نانو ذره مورد استفاده38جدول 3-4: ترکیب درصد اجزای شیمیایی و خواص مشخصه الیاف کتان مصرفی39جدول 3-5: مقایسه خواص الیاف فلاکس و الیاف شیشه40جدول 3-6 : نام اختصاری فرمولاسیون‌های تهیه شده از مخلوط رزین و نانو ذرات خاک رس 43 جدول 3-7 : نام اختصاری فرمولاسیون‌های متفاوت از کامپوزیت و نانو کامپوزیت‌های هیبریدی تهیه شده در فاز دوم 50 جدول 4-1 : تغییرات ازدیاد طول در نقطه شکست نانو کامپوزیت‌ها با افزایش میزان نانو ذرات از 0 تا 10 درصد وزنی63 جدول 4-2 : تغییرات ازدیاد طول در نقطه شکست کامپوزیت و نانو کامپوزیت‌ها هیبریدی تقویت شده با الیاف فلاکس81
چکیده
به دلیل ویسکوزیته پایین و خواص ضد اشتعال و پخت نسبتاً آسان، رزین‌‌های یورتان-اکریلات مورد توجه می‌باشند. از طرفی الیاف طبیعی با منابع تجدید شونده، قیمت پایین، دانسیته کم و خواص ویژه بالا، از قابلیت ویژه‌ای برای استفاده در کامپوزیت‌ها برخوردار می‌باشد. اما جذب رطوبت نسبتاً زیاد و آتش گیر بودن آن‌ها، در مقایسه با الیاف کربن و شیشه، کاربری آن‌ها را محدود نموده است. تلفیق رزین یورتان-اکریلات با الیاف طبیعی می‌تواند خواص خوبی به لحاظ فیزیکی و مکانیکی ایجاد نماید. از طرفی حضور ذرات در ابعاد نانو می‌تواند بر خواص مکانیکی، حرارتی و جذب آب آن‌ها اثرات مطلوبی داشته باشد. در فاز اول این پروژه رزین یورتان-اکریلات (Modar) با نانو رس در درصد‌های وزنی مختلف با استفاده از هموژنایزر و حمام اولتراسونیک تلفیق شد. ساخت نمونه‌‌های مورد نیاز جهت انجام آزمون‌های فیزیکی و مکانیکی با استفاده از قالب سیلیکونی و به روش ریخته‌گری انجام شد. پخش نانو ذرات با استفاده از تکنیک‌های TEM، XRD و اندازه‌گیری ویسکوزیته بررسی شد. خواص مکانیکی شامل (کشش، خمش و ضربه) و خواص فیزیکی نانو کامپوزیت‌های حاصله شامل (سختی، سرعت سوختن و جذب آب) مورد بررسی قرار گرفت.
در فاز دوم تحقیق، الیاف طبیعی فلاکس توسط عامل اتصال دهنده سیلانی با نام تری اتو کسی وینیل سیلان آماده سازی شد. با این توصیف به جهت مشاهده اثر عامل اتصال دهنده سیلانی و همچنین پخش نانو ذرات خاک رس در کامپوزیت و نانوکامپوزیت‌‌های هیبریدی حاصله، این بخش از پروژه به سه قسمت تقسیم شد: در قسمت اول، کامپوزیت‌‌های بر پایه رزین یورتان-اکریلات تقویت شده با الیاف اصلاح نشده (FRP) تهیه شد تا با ورود عامل اتصال دهنده سیلانی در قسمت دوم، اثر بهبود فصل مشترک در خواص فیزیکی و مکانیکی کامپوزیت‌‌های تقویت شده با الیاف سیلانی اصلاح شده (FRST) مورد بررسی قرار گیرد. در قسمت سوم نیز به منظور تأثیر نانو ذرات خاک رس بر خواص فیزیکی و مکانیکی نانو کامپوزیت‌های هیبریدی تقویت شده با الیاف فلاکس اصلاح شده (FRSTN)، از نانو کامپوزیت حاوی 3درصد وزنی نانو کلی که در فاز اول به لحاظ تکنیک‌های شناسایی و خواص به عنوان بهینه‌ترین فرمولاسیون انتخاب شده بود به عنوان فاز ماتریس مورد استفاده قرار گرفت. کامپوزیت‌ها و نانو کامپوزیت‌‌های هیبریدی تقویت شده با الیاف اصلاح شده و اصلاح نشده توسط فرآیند قالب‌گیری رزین تحت خلاً تهیه شد. بهبود فصل مشترک کامپوزیت و نانو کامپوزیت‌های هیبریدی فوق به وسیله عامل اتصال دهنده سیلانی توسط تصاویر SEM دنبال شد. وجود نانو ذرات خاک رس و عامل اتصال دهنده سیلانی به ترتیب در ماتریس پلیمری و سطح الیاف طبیعی، توسط تکنیک‌ EDXA بررسی شد. در انتها خواص فیزیکی و مکانیکی کامپوزیت و نانو کامپوزیت‌های هیبریدی تهیه شده در فاز دوم اندازه‌گیری شد و اثرات عامل اتصال دهنده سیلانی و نانو ذرات خاک رس در آن‌ها مورد بررسی قرار گرفت.
نتایج نشان داد که افزودن نانو ذرات خاک رس در بهبود خواص فیزیکی و مکانیکی کامپوزیت‌های تهیه شده در فاز اول موثر بوده که بهینه‌ترین خواص، در نانو کامپوزیت‌های حاوی 3 درصد وزنی نانو ذرات خاک رس مشاهده شده است. همچنین مشاهده شده که اصلاح الیاف کتان، توسط تری اتوکسی وینیل سیلان و پس از آن افزودن نانو ذرات به کامپوزیت‌های اصلاح شده، خواص فیزیکی و مکانیکی کامپوزیت‌های تقویت شده با الیاف در فاز دوم را بهبود داده است.

1 فصل اول : مقدمه

در تهیه قطعات مهندسی، همواره وزن کم و در عین حال خواص مکانیکی بالا از ارجحیت برخوردار بوده است و به همین دلیل هم از دیر باز کامپوزیت‌ها مورد توجه بوده‌اند و روز به روز تحقیقات در زمینه آن‌ها در حال گسترش می‌باشد. با توجه به اینکه در سال‌های اخیر فناوری نانو مورد توجه بسیار قرار گرفته است، نانو کامپوزیت‌ها نیز شاخه نسبتاً جدیدی از کامپوزیت‌ها را به خود اختصاص داده‌اند.
1-1-کامپوزیت‌ها
كامپوزيت‌ها مواد پيشرفته‌اي هستند كه از دو يا چند ماده یا فاز که داراي برهم کنش‌‌های فیزیکی و یا شیمیایی، در سطح مولکولی یا اتمی با یکدیگر می‌باشند، تشکیل شده‌اند. روش‌های متنوع و زیادی براي ترکيب مواد و یا فاز‌های مختلف وجود دارد که شامل: اختلاط، آميزه سازي، هم زدن، ذوب کردن و کنار هم چيدن است. از هر جزء مشخص در كامپوزيت‌ها، براي ایجاد خواصی مطلوب كه در هيچ يك از مواد به كار رفته در ترکیب، به تنهایی وجود ندارد، استفاده مي‌شود. یک كامپوزيت شامل حداقل دو فاز پيوسته (ماتریس) و ناپیوسته‌ (الیاف) است. امروزه کامپوزیت‌ها در محدوده وسيعي از كاربردها از جمله در زمينه‌هايي نظير حمل و نقل، ابزار آلات، الكترونيك و محصولات ديگر به كار مي‌روند.
کامپوزیت‌ها عليرغم داشتن مزايايي نظير هزینه‌ی کم، مدول و مقاومت كششي بالا، اغلب باعث كاهش وضوح نوري و شفافيت و صافي سطح محصولات تهیه شده و در پاره‌اي از موارد موجب شكننده شدن پليمر مي‌گردند.
فناوري نانو و توليد مواد در ابعاد نانومتري موضوع تحقيقاتي جالبی است كه توجه بسياري از محققین را به خود معطوف داشته است. زمينه نانو کامپوزیت‌های پليمري نيز به عنوان يكي از شاخه‌هاي اين فناوري جديد، در سال‌های اخیر اهميت ویژه‌ای يافته است و يكي از شاخه‌هاي تحقيقاتی فعال به شمار مي‌آيد.
1-2-نانو فناوری
نانو فناوری یکی از شاخه‌های نسبتاً جدید علوم است که با سرعت زیادی در حال رشد و شکوفایی است. نانو فناوری عبارت است از توسعه تحقیقات و فناوری در سطوح اتمی، مولکولی و ماکرومولکولی با طول تقریبی یک الی صد نانومتر، برای فراهم آوردن شناخت اصولی از پدیده‌ها و مواد در مقیاس نانو و با هدف ایجاد و استفاده از ساختارها، قطعات و سامانه‏‌هایی که به خاطر اندازه کوچک و یا متوسط خود خواص کاربردی جدیدی دارند[1]. این فناوری کاربرد‌های بدیعی را در صنایع مختلف پیدا کرده و طیف وسیعی از محصولات را پوشش می‌دهد، از کاربرد‌های بسیار پیشرفته هوا فضا گرفته تا لوازم روزمره زندگی مانند لباس و پوشاک. مفاهیم جدید نانو فناوری چنان گسترده شده‏اند که دیگر به سختی می‏توان همه آن‌ها را در یک جا ذکر کرد و علی رغم اینکه این فناوری مفهوم جدیدی در صنعت می‏باشد در برخی موارد مانند فناوری اطلاعات و یا هوا فضا مفهومی غیرقابل چشم‏پوشی است. دلیل اهمیت وافر و روز افزون این مفهوم تازه را می‏توان در این واقعیت یافت که با ایجاد ساختار‌های نانومتری، کنترل خصوصیات مهم مواد چون دمای ذوب، رفتار مغناطیسی و حتی رنگ آن‌ها، بدون تغییر در ترکیب شیمیایی آن‌ها، ممکن خواهد بود[1].
کارایی هر سازه وابسته به خواص مواد تشکیل دهنده آن است و خواص مواد نیز کاملاً وابسته به ساختار اتمی و مولکولی، ترکیب، ساختار میکروسکوپی، عیوب و سطوح مشترک ذرات آن است. یکی از دلایل خواص منحصر به فردی که این ذرات از خود نشان می‌دهند سطح بسیار بالای آن‌هاست، زیرا با کاهش اندازه و شعاع ذرات، سطح آن‌ها به شدت زیاد شده و به طبع آن نسبت سطح به حجم شدیداً افزایش می‌یابد ( این اثر در شکل 1-1 نمایش داده شده است). از دیگر مزایای مواد در این ابعاد را می‏توان به غیر قابل مشاهده بودن آن‌ها تحت نور مرئی اشاره کرد. زیرا بر اساس تئوری Mei [1] چنانچه ابعاد ذرات کمتر از نصف طول موج نور مرئی (کمتر از 200 نانومتر) باشد پرتو‌های نوری بدون تفرق یا انعکاس از ذره عبور می‏کنند، بدین ترتیب می‌توان از این ذرات برای ایجاد خواصی جدید بدون تأثیر بر خواص نوری ماده اولیه استفاده کرد.

1-3-نانو کامپوزیت‌ها
1-3-1-تاریخچه تهیه و استفاده از نانو کامپوزیت‌ها
در سال 1959 ريچارد فاينمن برنده جايزه نوبل فيزيک در سخنراني خود در دانشگاه کاليفرنيا اين پرسش را مطرح کرد که: “اگر بتوان اتم‌ها را يک به يک به گونه‌ای که می‌خواهیم مرتب کنيم چه پيش خواهد آمد؟”. اين پرسش منشاً تئوري خلق نانوتکنولوژي مدرن و علم نانو بود. توسعه ميکروسکوپ نيروي اتمي1 و ميکروسکوپ مجرا زن الکتروني روبشی2 توسط IBM در دهه 80 ديگر دليل پيشرفت اين علم بود. اختراع میکروسکوپ‌های روبشی با Nanoprobe نيز در 20 سال اخير توسعه نانوتکنولوژي و علم نانو را سریع‌تر کرده است .
در سال 1992 نخستين مجله علمي درباره مواد نانو به نام مواد با ساختار نانو به چاپ رسيد. در دهه‌های 80 و 90 تهیه نانو تیوب‌های کربني و باکي بال C60 محرکي ديگر در علم و تکنولوژي نانو بود. از سوي ديگر، بحث‌ها و اطلاعات بسياري در مورد روش‌های شيميايي براي آماده سازي نانو ذرات، نانو پودرها و مواد در مقياس نانو در مقالات و کتاب‌های يک قرن گذشته به آساني قابل دسترسي است. اين مسئله ثابت می‌کند که مفاهيمي همچون نانو سایز، نانو مقیاس و علم نانو براي بيش از یک‌صد سال شناخته شده است.
1-3-2-معرفی نانو کامپوزیت‌ها
واژه نانو کامپوزیت به مواد ترکیبی اطلاق می‌شود که حداقل یکی از ابعاد فاز پُرکننده در مقیاس نانومتری (9-10 متر) باشد. بر اساس ابعاد ذرات پُر کننده، نانو کامپوزیت‌ها به سه دسته زیر تقسیم می‏شوند [1]:
➢ ابعاد ذرات در هر سه فاز در مقیاس نانومتری است و نانو ذرات، مانند ذرات سیلیکای کروی یا نانو زیرکونیای کروی شکل، دارای ابعاد یکسانی هستند.
➢ دو بعد ذرات در مقیاس نانو و بعد سوم بزرگ‌تر از یک‌صد نانومتر است مانند نانو لوله‌‌های کربنی.
➢ ذرات تنها دارای یک بعد در مقیاس نانو است. غالباً این نوع پرکننده‌ها ساختاری ورقه‌ای دارند مانند نانو ذرات رس[2, 3].
در بین انواع مختلف نانو ذرات، نانوکامپوزیت‌‌های پلیمر- سیلیکات، هم در صنعت و هم در مجامع علمی توجه زیادی را به خود اختصاص داده‌اند و گزارش‌‌های متعددی مبنی بر بهبود خواص مختلف از جمله مدول بالا[4-9]، افزایش استحکام و بهبود مقاومت حرارتی[10]، کاهش عبور پذیری گازها[11-15] و اشتعال پذیری[16-19]، و افزایش تخریب پذیری پلیمر‌های تخریب ناپذیر[20] وجود دارد. این در حالی است که مصرف معمول مواد نانو کمتر از 6 درصد وزنی ماتریس پلیمری است. صرف‌نظر از خواص عالي و منحصر به فرد مواد نانو کامپوزیت، در تهیه آن‌ها مشكلات فرآيندي قابل توجهي وجود دارد که از اساسي‌ترين آن‌ها مي‌توان به موارد زير اشاره كرد:
➢ عدم توزيع يكنواخت فاز نانو ذرات در فاز ماتریس پلیمری؛ اين امر مي‌تواند باعث كاهش خواص فيزيكي و مكانيكي نانو کامپوزیت شود.
➢ قيمت بالاي تجهیزات مورد استفاده براي توزيع يكنواخت فاز نانو ذرات درون فاز زمينه و جلوگيري از به هم چسبيدن ذرات پودر نانو کامپوزیتی و ساخت نانو کامپوزیت‌هایی با ريز ساختار همگن و خواص مكانيكي بالا، باعث غير اقتصادی شدن و همچنين پيچيده شدن فرآيند مي‌شود[21].
1-4-هدف
هدف از انجام اين تحقيق، ساخت نانوکامپوزیت‌‌های یورتان-اکریلات/نانو خاک رس و ارزیابی خواص فیزیکی و مکانیکی نمونه‌‌های حاصل می‌باشد. از دیگر اهداف این پروژه ساخت کامپوزیت‌‌های یورتان-اکریلات بر پایه الیاف طبیعی است که به منظور بهبود خواص حرارتی و جذب آب این نوع الیاف انجام می‌پذیرد و ضمن آن اثر اصلاح سطح الیاف بر خواص کامپوزیت‌ها و در انتها اثر وجود نانو ذرات نیز بر خواص کامپوزیت‌‌های مذکور مورد بررسی قرار می‌گیرد.
اين پايان نامه مشتمل بر پنج فصل مي‌باشد. در فصل اول مقدمه و برخی تعاريف آورده شده است. فصل دوم، به مرور مطالعات انجام شده در زمينه تحقيق اختصاص يافته است. در فصل سوم مواد و روش‌هاي انجام تحقیق معرفی شده است. در فصل چهارم نتايج بدست آمده از آزمون‌هاي صورت گرفته و تفسير نتايج آورده شده است. نتيجه‌گيري نهايي و پيشنهادهايي جهت ادامه كار نيز در فصل پنجم آورده شده است.
2 فصل دوم : مروری بر مطالعات انجام شده

2-1-فاز پیوسته (زمینه/ماتریس)
در بعضي از خواص كامپوزيت نظير استحكام و مدول عرضي3، خواص برشي و خواص در حالت فشاري زمينه نقش اساسي داشته اما نقش كمي در تحمل نيروهاي كششي ايفا مينمايد. سهل و يا دشوار بودن فرآيندپذيري و وجود نقص4 در يك كامپوزيت، وابستگي زيادي به خصوصيات فيزيكي زمينه مانند گرانروي، نقطه ذوب و دماي پخت آن دارد[22]. انواع زمينههاي پليمري مورد استفاده در صنعت كامپوزيت بر دو دسته‌گرمانرم و گرماسخت تقسيم بندي ميشوند.
2-1-1-رزین یورتان-اکریلات5
پلی یورتان‌ها کو پلیمرهایی با خواص و ساختار ویژه هستند که زنجیر مولکولی آن‌ها شامل بخش‌‌های سخت6 متناوب حاوی ایزوسیانات‌ها و انتهای زنجیر و بخش نرم7 تشکیل شده از پلی استر یا پلی اتر
پلی اُل‌ها می‌باشد. بخش‌های سخت موجب سختی پلی یورتان شده، در حالی که بخش‌‌های نرم موجب انعطاف پذیری آن‌ها می‌شوند. بنابراین با تغییرات میزان و نوع بخش‌‌های نرم و سخت چندین نوع پلی یورتان با ساختار و خواص فیزیکی مکانیکی متفاوت به دست می‌آید که دارای کاربردهای وسیعی در تهیه
پوشش‌ها، چسب‌ها هستند. پلی یورتان خواص بسیار خوبی همچون مقاومت در برابر سایش و روغن‌ها، انعطاف‌پذیری، سختی و همانند این‌ها را دارا می‌باشند. پلی یورتان از واکنش الکل‌ها و ایزوسیانات‌ها تهیه می‌شوند که در نهایت با افزودن گروه اکریلاتی پلی یورتان-اکریلات‌ها ساخته می‌شوند. پلی یورتان‌-‌اکریلات نشان داده شده در شکل 2-1 متشکل از ایزوفورن دی‌ایزوسیانات8، پلی‌اتیلن‌گلایکول9 و هیدروکسی اتیل متیل اکریلات10 می‌باشد[23].
شکل 2-1 : شمایی از نحوه‌ی تهیه رزین یورتان-اکریلات]23[
2-1-2-رزينهاي پلي استر غير اشباع11
رزين پلياستر غيراشباع پرمصرفترين رزين در صنعت كامپوزيت ميباشد. زنجير اصلي پليمري اين رزين داراي اتصالات استري می‌باشد كه از واكنش تراكمي يك يا چند الكل دو يا چند عاملي (مانند اتيلن گلايكول CH2-CH2-OH HO- ، پروپيلن گلايكول) با اسید یک يا چند عاملی (مانند فتاليك اسيد يا انيدريد، مالئيك و فوماريك اسيد) تهيه ميشوند[24]. شمایی از نحوه‌ی تهیه رزین پلی استر در شکل 2-2 نشان داده شده است.

شکل 2-2 : شمایی از نحوه‌ی تهیه رزین پلی استر]24[
2-1-3-رزينهاي وينيل استر
وينيل استرها محصول واكنش رزين هاي اپوكسي با اسيدهاي غير اشباع اتيلني می‌باشند، بجز حالات خاص، معمولاً رزين‌هاي وينيل استر داراي انتهاي غير اشباع می‌باشند. رزين هاي وينيل استر خواص چقرمگي و مقاومت شيميايي بسيار بهتري نسبت به رزين‌هاي پلي استر دارند. زنجير اصلي اپوكسي سازنده وينيل استر، موجب ایجاد چقرمگي و ازدياد طول كششي بالاتر می‌شود. جرم مولكولي رزين‌هاي وينيل استر به انتخاب نوع اپوكسي بكار رفته بستگي دارد. به اين دليل، استحكام كششي، ازدياد طول، نقطه نرمي و واكنش‌پذيري رزين نهايي توسط جرم مولكولي و ساختار اوليه تعيين می‌شود. اين موضوع، اين امكان را به وجود می‌آورد كه براي كاربردهاي مختلف خواص مختلف طراحي شود. رزين‌هاي وينيل استر در مقايسه با پلي استرهاي غير اشباع مقاومت شيميايي خوبي دارند. بخشي از اين ويژگي مربوط به عدم حضور پيوندهاي استري در زنجيره اپوكسي می‌باشد. اتصالات اجزای پليمر، توسط پيوندهاي فنيل استري انجام می‌گیرد. اين اتصالات در مقايسه با اتصالات استري در برابر اكثر محیط‌های شيميايي به ویژه در شرايط قليايي شديد،
مقاوم‌تر هستند. اتصال استري تنها در انتهاي زنجير وينيل استر وجود دارد. اين امر حملات عوامل شيميايي را به حداقل مي‌رساند. ساختار شیمیایی رزین وینیل استر در شکل 2-3 نشان داده شده است.
شکل 2-3 : شمایی از نحوه‌ی تهیه رزین وینیل استر
2-2-الیاف
به طور کلی نقش الیاف در مواد کامپوزیتی تحمل عمده بار وارده بر ساختار کامپوزیت می‌باشد، از این لحاظ از اصلی‌ترین اجزاء مواد کامپوزیتی بشمار می‌رود که بالاترین درصد حجمی را در قبال سایر اجزای کامپوزیت به خود اختصاص می‌دهد. بسیاری از خواص کامپوزیت از جمله استحکام کششی، استحکام فشاری، مدول کششی، جرم مخصوص، خواص الکتریکی و حرارتی تحت تأثیر مستقیم نوع الیاف، میزان و چگونگی آرایش آن‌ها در ساختار قطعه است. الیاف مورد استفاده در صنعت کامپوزیتی را
می‌توان به دو دسته الیاف طبیعی و سنتزی طبقه بندی نمود، که الیاف طبیعی نیز بسته به منشاء آن‌ها ممکن است گیاهی، حیوانی و یا از منابع معدنی باشند. شماتیک کلی الیاف طبیعی در شکل 2-4 نشان داده شده است[25].

شکل 2-4 : شماتیک کلی الیاف طبیعی[25]
الیاف گیاهی به چندین دسته از جمله الیاف چوب، الیاف پوست درختان12، الیاف برگ درختان13 و الیاف دانه‌ای14 تقسیم‌بندی می‌شوند. الیاف پوست درختان شامل مرکز چوبی احاطه شده با ساقه می‌باشند و درون ساقه دسته‌های الیاف قرار گرفته است که هر کدام از این‌ها شامل فیلامنت‌هایی می‌باشند که از سلولز و همی سلولز که توسط ماتریس لیگنین یا پکتین به همدیگر پیوند یافته‌اند تشکیل شده‌اند. مثالی از این دسته، الیاف فلاکس15 می‌باشد که در کامپوزیت‌ها جایگزین الیاف شیشه شده است. خواص الیاف فلاکس در مقایسه با الیاف شیشه در جدول 2-1 نشان داده شده است[25].
2-2-1-ویژگی‌های الیاف طبیعی
الف-مزایای الیاف طبیعی[26]
i. دانسیته کم الیاف که سبب مقاومت ویژه و سفتی بالای آن‌ها نسبت به الیاف شیشه می‌شود.
ii. منابع تجدید پذیر دارند و تولید آن‌ها به انرژی کمی احتیاج دارد و سبب کاهش در انتشار مقدار CO2 می‌شوند.
iii. تولید این الیاف احتیاج به سرمایه‌گذاری‌‌های کلان ندارد و این برای کشور‌هایی که از نظر اقتصادی ضعیف می‌باشند، مناسب است.
iv. این الیاف غیر سمی بوده و ایجاد حساسیت‌های پوستی نمی‌نمایند.
v. خواص عایق سازی حرارتی و صوتی دارند.
vi. مدول یانگ بالا و خواص کششی خوب دارند.

جدول 2-1 : خواص الیاف فلاکس در مقایسه با الیاف شیشه[25]
خواصالیاف شیشهالیاف فلاکسقطر (µm) 14-8 80-10دانسیته (g/cm3) 56/2 4/1مدول الاستیک( (GPa 76 70-50استحکام کششی(GPa) 5/2-4/1 5/1-5/0ازدیاد طول در نقطه شکست(درصد) 2/3-8/1 3-2مدول الاستیک ویژه(GPa/ per g/cm3) 30 50-36استحکام کششی ویژه(GPa/ per g/cm3) 1-5/0 1/1-4/0
ب-معایب الیاف طبیعی[26]
i. خواص مقاومتی کمتری نسبت به الیاف دیگر دارند، به خصوص دارای مقاومت ضربه کم و مقاومت حرارتی و همچنین پایداری ابعادی پایین می‌باشند.
ii. این الیاف با توجه به تأثیر عوامل محیطی مانند



قیمت: تومان

About the author

92 administrator

You must be logged in to post a comment.