SUPERVISOR
Rasoul Esmaeely Neisiany,Saied Nouri-Khorasani
رسول اسمعیلی نیسیانی (استاد مشاور) سعید نوری خراسانی (استاد راهنما)
STUDENT
Parisa Kohansal
پریسا کهنسال
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1394
TITLE
Preparation and mechanical properties characterization of poly(acrylonitrile)Nano fibers containing modified Nano Silicon Carbide(Sic) rod and particle
: Using the nanofibers been attracted many attentions in myriad application. Improving mechanical properties of the laminated composites by nanofibers been proposed and extensively investigated. The most important challenges of the nanofibers are Low mechanical properties and thermal stability, and swelling in the liquid and gas areas. Furthermore, the nanofibers are weak in the high applied energy. Incorporating inorganic nanoparticles has been proposed to overcome aforementioned issues due their properties such as specific area and high mechanical properties. In addition, the nanoparticles are able to induce some properties (i.e. antibacterial and catalytic properties) in the nanofibers. In this research, the effect of incorporation unmodified and unmodified SiC nanoparticles and nanorods was studied. Due to inorganic nature of SiC nanoparticles and nanorods, there is no good interaction between organic nanofibers and inorganic nanoparticles leading to poor nanoparticle dispersion. Therefore, the SiC nanoparticles and nanorods were chemically modified to be more compatible with polyacrylonitrile (PAN) nanofibers. Afterwards, modified and unmodified SiC nanoparticles and nanorods were added to PAN solutions (in several concentrations) and the nanofibers were prepared via electrospinning technique. In order to confirm the successful chemical modification of the SiC nanoparticles and nanorods Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), thermogravimetric analysis (TGA), Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX), and X-Ray Diffraction were employed. The morphology of the SiC nanoparticles and nanorods as well as morphology of the nanofibers were investigated by scanning electron microscopy (SEM) and optical microscopy. In addition, the interaction of the modified and unmodified SiC nanoparticles and nanorods was evaluated by FTIR tests. The tensile tests were carried out to assess the mechanical properties of the prepared nanofibers. The FTIR results confirmed the presence of hydroxyl groups on the surfaces of the modified SiC nanoparticles and nanorods. The TGA results revealed that the amount of hydroxyl groups on the surfaces of the SiC nanoparticles and nanorods was to be 0.65% and 2.2%, respectively. The XRD results showed that the modification process did not changed the crystalline structure of both SiC nanoparticles and nanorods. Morphological investigations of the nanofibers showed that after incorporation 2% of SiC nanoparticles and 3% of nanorods the average diameter of the nanofibers increased to 314 and 308 nanometer due to increasing in viscosity of the solutions. Furthermore, tensile tests of the nanofiber layers revealed that incorporation 2% of SiC nanoparticles and 3% SiC nanorods led to 22% and 84% in tensile strength, respectively. On the other hand, for modified SiC nanoparticles and nanorods, addition of 3% SiC nanoparticles and 4% SiC nanorods led to increase in average diameter of nanofibers up to 378 and 342 nm, respectively which possibly attributed to decrease in solution conductivity due to nanoparticle modification. In addition, evaluation of the tensile properties of the nanofibers layers with modified SiC nanoparticles and nanorods showed that the tensile strength of the nanofibers 188% and 474% improved after incorporation of 3% modified SiC nanoparticles and 4% modified nanorods, respectively. Finally, the statistical analyses confirmed that incorporation of modified SiC nanoparticles and nanorods significantly enhanced the mechanical properties of the nanofiber layers containing modified nanoparticles and nanorods.
استفاده از نانوالیاف به دلیل قابلیت های وسیع آنها در حوزههای مختلف موردتوجه قرارگرفته است. استفاده از نانوالیاف در کامپوزیتها جهت تقویت خواص مکانیکی آنها و کاربردهای مواد کامپوزیتی بسیار حائز اهمیت است. چالش عمده استفاده از الیاف پلیمری عواملی مانند پایداری حرارتی پایین، خواص مکانیکی و اثر تورم در معرض مایعات و گازها است. همچنین نانوالیاف به مدت طولانی نمیتوانند در برابر تنشهای اعمالی باانرژی بالا مقاومت کنند. یکی از راهکاری بهبود خواص مکانیکی نانوالیاف، تقویت آنها با نانوذرات معدنی است. نانوذرات به دلیل خواص ویژهای ازجمله نسبت مساحت سطح به حجم و خواص مکانیکی بالا می توانند خواص مکانیکی نانوالیاف نظیر استحکام کششی، تنش در نقطه تسلیم و مدول یانگ را افزایش دهند و همچنین خواصی نظیر خاصیت ضد میکروبی و کاتالیستی به نانوالیاف بخشند. در این پژوهش اثر افزودن نانوذرات و نانومیله های سیلیسیم کاربید در دو حالت اصلاحنشده و اصلاحشده به نانوالیاف پلی (اکریلونیتریل) بررسی شد. برای تقویت خواص مکانیکی نانوالیاف پلی (اکریلونیتریل) از نانوذرات و نانومیله های سیلیسیم کاربید استفاده شد. با توجه به ماهیت معدنی بودن سیلیسیم کاربید برهمکنش آنها با پلی (اکریلونیتریل) مناسب نیست؛که با استفاده از فرآیند اصلاح گروه های هیدروکسیل بر سطح نانوذرات و نانومیله های سلیسیم کاربید ایجاد شد. سپس نانوذرات و نانومیله های سیلیسیم کاربید اصلاحشده و اصلاحنشده در درصدهای وزنی مختلف به محلول پلی (اکریلونیتریل) اضافه و نانوالیاف توسط فرآیند الکتروریسی تولید شدند. بهمنظور بررسی فرآیند اصلاح از آزمونهای طیفسنجی مادونقرمز، وزن سنجی گرمایی و آنالیز عنصری استفاده شد. بهمنظور بررسی اثر فرآیند اصلاح بر ساختار نانوذره و نانومیله از آزمون تفرق اشعه ایکس استفاده شد. همچنین بهمنظور بررسی مورفولوژی نانوذره و نانومیله سیلیسیم کاربید و نانوالیاف خالص و نانوالیاف تقویتشده با نانوذرات از میکروسکوپ الکترونی روبشی استفاده شد. همچنین برهمکنش نانوالیاف با نانوذرات اصلاحنشده و اصلاحشده توسط آزمون طیفسنجی مادونقرمز بررسی شد. خواص مکانیکی لایه نانوالیاف خالص پلی (اکریلونیتریل) و نانوالیاف تقویتشده با نانوذره و نانومیله سیلیسیم کاربید توسط آزمون کشش مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج آزمون طیفسنجی مادونقرمز نشان داد حین فرآیند اصلاح گروه های هیدروکسیل روی نانوذره و نانومیله سیلیسیم کاربید ایجاد شد. همچنین نتایج آزمون وزن سنجی گرمایی نشان داد میزان افت وزنی ناشی از جدا شدن گروه های هیدروکسیل از سطح نانوذره حدود 65/0% و برای نانومیله 2/2% است. نتایج آزمون تفرق اشعه ایکس نشان داد فرآیند اصلاح تأثیری بر ساختار نانوذره و نانومیله نداشته است. بررسی مورفولوژی نانوالیاف نشان داد با افزودن نانوذرات تا 2 درصد وزنی و نانومیله ها تا 3 درصد وزنی، قطر نانوالیاف از 240 نانومتر برای نانوالیاف پلی (اکریلونیتریل) به 314 و 308 نانومتر افزایش یافت. همچنین ارزیابی های خواص مکانیکی لایه نانوالیاف نشان داد نانوذرات سیلیسیم کاربید تا 2 درصد وزنی و نانومیله های سیلیسیم کاربید تا 3 درصد وزنی به ترتیب 22% و 84% باعث افزایش استحکام کششی شد و پسازآن به دلیل تجمع نانوذرات و نانومیلهها باعث کاهش خواص نانوالیاف می شود. پس از فرآیند اصلاح سطح بر روی نانوذرات و نانومیله های سیلیسیم کاربید نشان داد قطر نانوالیاف حاوی نانوذرات اصلاحشده تا 388 نانومتر و نانوالیاف حاوی نانومیله های اصلاحشده تا 342 نانومتر افزایش یافت که این افزایش ناشی از کاهش هدایت الکتریکی نانوذرات است. بررسی خواص مکانیکی لایه نانوالیاف حاوی نانوذره و نانومیله اصلاحشده نشان داد استحکام کششی در نانوذرات تا 3 درصد وزنی به میزان 188% و در نانومیله ها تا 4 درصد وزنی به میزان 474% افزایش یافت. نتایج آنالیز آماری نشان داد اصلاح سطح تأثیر معناداری در بهبود خواص مکانیکی نانوالیاف پلی (اکریلونیتریل) ایجاد کرده است.