Skip to main content
SUPERVISOR
Ali Zadhosh,Zahra Talebi mazraehshahi
علی زادهوش (استاد راهنما) زهرا طالبی مزرعه شاهی (استاد مشاور)
 
STUDENT
Saeed Salimian
سعید سلیمیان

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی نساجی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1393

TITLE

Investigation of Rheological and Mechanical Properties of Silica Aerogel/Epoxy Nanocomposite
Polymer nanocomposites reinforced with inorganic fillers have sparked new aerospace, sports goods, automotive and civil engineering applications. Here, epoxy nanocomposites with both hydrophobic and hydrophilic silica aerogel powder fillers are presented. The use of a high porosity, mesoporous filler such as silica aerogel avoids the typical problems encountered in dispersing nanoparticles. Here, for the first time we determine the effect of silica aerogel powders and their surface chemistry, on the properties of dense epoxy-silica aerogel nanocomposites with fully infiltrated pores. The epoxy-silica interactions strongly depend on the silica surface chemistry: covalent ?Si-O-C? bonds form in the composites with hydrophilic aerogel and this leads to stronger effects on the rheological and mechanical properties, particularly at low aerogel concentration. Although, covalent bonding is mostly absent in the case of hydrophobic aerogels, the large number of Van der Waals interactions add up to a strong stabilizing effect at high aerogel loadings. The complete chemical, microstructural and mechanical characterization, from the molecular scale (NMR and FTIR) to the nanoscale (AFM-IR, Lorenz Contact Resonance, nano-thermal analysis) and microscale (SEM), offer unique insights into the toughening mechanism of mesoporous fillers. Despite the different interfacial interactions, the addition of both hydrophobic and hydrophilic silica aerogel fillers increases the fracture toughness and energy by up to 40-70% and the impact strength by up to 80-120% through a variety of mechanisms, including an increase in the fracture surface roughness, the formation of micro-shear bands, and crack front deflection.
استفاده از ایروژل‌های سیلیس با خصوصیاتی ویژه نظیر سطح مخصوص بسیار بالا، درصد تخلخل بالا و حفره‌های نانومتری به عنوان تقویت‌کننده در نانوکامپوزیت‌های پلیمری امکان درگیری مکانیکی موثر میان زنجیره‌های پلیمری و ذرات تقویت‌کننده را افزایش می‌دهد و منجر به بهبود خواص مکانیکی نانوکامپوزیت حاصل می‌شود. هدف از انجام این رساله، بررسی تاثیر ایروژل سیلیس به عنوان تقویت‌کننده مزومتخلخل در زمینه اپوکسی بر خواص نانوکامپوزیت حاصل است. در این راستا دو متغیر اصلی تاثیرگذار بر خواص نانوکامپوزیت شامل خصوصیات شیمی سطح ایروژل و غلظت ایروژل در نانوکامپوزیت بررسی شد. برای ارزیابی شیمی سطح ایروژل از دو نوع ایروژل آب‌گریز و آب‌دوست استفاده شد که ایروژل آب‌دوست، با انجام عملیات گرمایی در دمای °C 640 به مدت زمان 6 ساعت بر روی ایروژل آب‌گریز تهیه شد. ساختار شیمیایی، ساختار حفره‌ها و خواص فیزیکی ایروژل سیلیس قبل و بعد از انجام عملیات گرمایی با استفاده از آزمون‌های طیف سنجی تبدیل فوریه فروسرخ (FTIR)، طیف سنجی رزونانس مغناطیس هسته‌ای (NMR) و ایزوترم جذب-واجذب نیتروژن ارزیابی شد. نتایج نشان دادند که گروه‌های آب‌گریز تری متیل سیلان در ایروژل سیلیس آب‌گریز پس از انجام عملیات گرمایی به طور کامل از میان رفته و ایروژل آب‌دوست تهیه‌شده است. تهیه نانوکامپوزیت با استفاده از روش قالب‌گیری دستی و انجام پخت در دمای °C 80 به مدت 4 ساعت انجام گرفت. به منظور بررسی اثر غلظت ایروژل سیلیس، 4 ترکیب درصد وزنی-وزنی متفاوت شامل 1، 2، 4 و 6% از ایروژل آب‌گریز و آب‌دوست در زمینه اپوکسی تهیه شد. خواص نانوکامپوزیت حاصل در مقیاس مولکولی با استفاده از انجام آزمون‌های FTIR و NMR، در مقیاس نانو با استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) و در مقیاس میکرو با به‌کارگیری میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) بررسی شد. ساختار شیمیایی نانوکامپوزیت نشان داد که تفاوت در شیمی سطح ایروژل سیلیس بر برهم‌کنش میان اپوکسی و ایروژل سیلیس اثرگذار بوده به‌طوری‌که پیوندهای کووالانسی و واندروالسی به ترتیب در حضور ایروژل سیلیس آب‌دوست و آب‌گریز شکل گرفت. از سویی دیگر، خواص توده نانوکامپوزیت شامل خواص رئولوژیکی، دینامیکی مکانیکی، گرمایی و مکانیکی نشان دادند که حضور هر دو نوع ایروژل سیلیس باعث بهبود خواص نانوکامپوزیت اپوکسی شد به طوری‌که مدول ذخیره (E?) نانوکامپوزیت تا میزان 60%، دمای انتقال شیشه‌ای (Tg) تا میزان °C 12 و خواص جذب انرژی مکانیکی شامل استحکام ضربه، چقرمگی شکست (K lc ) و انرژی شکست (G lc ) نانوکامپوزیت به ترتیب 70%، 120% و 40% افزایش یافت. بهبود خواص نانوکامپوزیت ناشی از مکانیسم نفوذ زنجیره‌های پلیمر اپوکسی به درون حفره‌های ایروژل است که حرکت زنجیره‌های پلیمری را محدود کرده و درگیری مکانیکی حفره و پلیمر را افزایش می‌دهد و با تشکیل ساختار نفوذی، فصل مشترک قوی میان پلیمر و ایروژل شکل گرفته و منجر به بهبود خواص نانوکامپوزیت می‌شود. همچنین، تغییر در ساختار شیمیایی تفاوت معناداری را در خواص نهایی نانوکامپوزیت پدید آورد به‌طوری‌که نانوکامپوزیت حاوی ایروژل سیلیس آب‌دوست در غلظت‌های پایین (1% و 2%) خواص بهتری را در مقایسه با نانوکامپوزیت حاوی ایروژل آب‌گریز نشان داد. این تفاوت ناشی از برهم‌کنش‌های کووالانسی در حضور ایروژل سیلیس آب‌‌دوست است که از یک سو باعث افزایش خواص نانوکامپوزیت در غلظت‌های پایین و از سوی دیگر به دلیل کاهش اتصالات عرضی در شبکه اپوکسی باعث افت خواص نانوکامپوزیت در غلظت‌های بالا (بیشتر از 2%) شد.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی