بررسی مقاومت در برابر اشتعال کامپوزیت های رزین اپوکسی/ الیاف شیشه / نانولوله کربن

STUDENT

DEGREE

YEAR

Fiber reinforced polymer composites have been widely used in many applications due to their light weight, high specific stiffness and high specific strength. Among various polymer matrices, epoxy resins have attracted interests because of their excellent mechanical performance, low shrinkage, high dimensional stability and good impregnation and adhesion to fiber reinforcement. One of the disadvantages of epoxy resins is their flammability which reduces their applications. So it is necessary to use flame retardants in epoxy resin matrice. Environmental standards have restricted the use of halogenated flame retardants because of their toxicity. The aim of this investigation is to study the effect of carbon nanotubes on thermal resistance and flame retardancy of epoxy / glass fiber composites. Dispersion of nanotubes in the polymeric matrix is an important factor which influences thermal and flame retardant behavior of the final sample. In order to disperse multi walled carbon nanotubes ( MWCNT ) in the epoxy resin, four methods were employed. Microscopic observations (SEM) showed that, the best dispersion state was gained by using ultrasonication method and high shear flow simultaneously. Surface functionalization of carbon nanotubes was another way to improve the dispersion state. According to microscopic observations, amino functionalized carbon nanotubes had better dispersion compared to unfunctionalized nanotubes and carboxylated MWNTs. Thermal properties of epoxy / nanotube samples were investigated by thermo gravimetric analysis (TGA). Introducing 0.25%, 0.5% MWNTs and 0.25 amino-MWNTs to epoxy resin, increased the initial thermal decomposition temperature (IDT) up to 32°C, 42°C and 37°C respectively. To study flammability properties of fiber reinforced composites, Limiting Oxygen Index (LOI) was employed. The results showed that, as the nanotube loading increases, LOI reaches to a maximum value and then decreases. The maximum value was obtained at 0.7%. These results also have showed that, introducing 0.7% MWNTs increases LOI from 26.6 to 32. Inorder to achieve better flame retardancy properties, nanotubes were combined with a nano clay (MMT) and also a combination of nanotubes and ammonium polyphosphate (APP) was employed. LOI results confirmed the synergistic effect between nanotube and nano clay and also nanotube and APP. Introducing 0.7% nanotube and 5% nano clay to epoxy / glass composites, increased LOI from 26.6 to 34. Also the combination of 0.7% nanotube and 15% APP, improved this value to 37. Former researches showed that introducing 15% APP to epoxy /glass composites, increases LOI from 26.6 to 32. Although the samples containing 0.7% nanotube, had maximum LOI, but they didn’t show improvement in thermal resistance. On the other hand, 0.5% nanotubes improved thermal resistance and also increased LOI from 26.6 to 32. So the samples contained 0.5% MWNTs were selected to evaluate by cone calorimeter. The cone calorimetry results showed that, introducing 0.5% MWNTs decreases peak of heat realese rate and total heat released to 10% and 12% respectively. The reduction of these two parameters means that epoxy / glass composites have been flame retarded.this test also showed that introducing 0.5% MWNT decreased the amount of carbon monoxide and carbon dioxide which were released during combustion. Keywords : epoxy resin, fiber reinforced composite, glass fibers, carbon nanotube, flame retardancy, thermal resistance.

امروزه کامپوزیت های پلیمری تقویت شده با الیاف، به علت وزن سبک، استحکام ویژه و سفتی ویژه بالا کاربرد فراوانی در صنایع مختلف پیدا کرده اند. در بین زمینه های پلیمری مختلف، رزین های اپوکسی به علت خواص مکانیکی عالی، پایداری ابعادی مناسب و چسبندگی کافی به جز لیفی تقویت کننده، مورد توجه زیادی قرار گرفته اند. یکی از عیوب رزین اپوکسی، اشتعال پذیری بالای آن است که کاربرد آن را در بسیاری از مصارف محدود می کند. بنابراین استفاده از مواد دیرسوز کننده در این رزین ها ضروری به نظر می رسد. استانداردهای محیط زیست، استفاده از ترکیبات معمول دیرسوز کننده، مثل ترکیبات هالوژنه را به علت سمیت بالا، محدود کرده اند. هدف از این پژوهش بررسی اثر نانولوله کربن بر روی خواص گرمایی و اشتعال پذیری کامپوزیت اپوکسی / الیاف شیشه می باشد. از آنجا که پراکنش مناسب نانولوله درون رزین تاثیر زیادی بر خواص حرارتی و اشتعال پذیری دارد، بررسی پراکنش نانولوله درون رزین در این پژوهش از اهمیت زیادی برخوردار می باشد. به منظور تهیه رزین حاوی نانولوله، چهار روش پراکنش مختلف به کار برده شد. مشاهدات میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) نشان داد که استفاده از امواج مافوق صوت و جریان برشی بالا به طور همزمان، بهترین پراکنش را ایجاد می کند. روش دیگری که برای بهبود پراکنش نانولوله درون رزین به کار برده شد، عامل دار کردن سطح نانولوله ها بود. مشاهدات میکروسکوپی نشان داد که در مقایسه بین نانولوله ساده، کربوکسیله و آمینه، نانولوله آمینه پراکنش بهتری را ایجاد می کند. مقاومت گرمایی نمونه های اپوکسی حاوی نانولوله کربن توسط ارزیابی گرمایی جرمی بررسی شد. برای این منظور درصدهای مختلف نانولوله درون رزین اپوکسی پراکنده شد و بعد از پخت رزین، آزمون ارزیابی گرمایی جرمی انجام شد. نتایج نشان داد که افزودن 25/0% و 5/0% نانولوله ساده به رزین اپوکسی، دمای 5% اتلاف وزن را به ترتیب C° 32 و 42 افزایش می دهد. همچنین افزودن 25/0% نانولوله آمینه این دما را C° 37 افزایش می دهد. به منظور مطالعه خواص اشتعال پذیری نمونه های کامپوزیتی، این نمونه ها به وسیله لایه چینی دستی تهیه شدند و تحت آزمون شاخص حدی اکسیژن قرار گرفتند. نتایج آزمون شاخص حدی اکسیژن برای غلظت های مختلف نانولوله، نشان داد که با افزایش غلظت، شاخص حدی به یک مقدار بیشینه می رسد و سپس کاهش می یابد که مقدار بیشینه با افزودن7/0% نانولوله به دست آمد. این نتایج همچنین نشان داد، افزودن 7/0% نانولوله ساده شاخص حدی را از 6/26 به 32 افزایش می دهد. به منظور دستیابی به مقاومت اشتعال پذیری بالاتر، از ترکیب نانولوله با نانورس و همچنین ترکیب نانولوله با پلی فسفات آمونیوم هم استفاده شد. نتایج شاخص حدی اکسیژن برای این نمونه ها، اثر هم افزایی بین نانولوله و نانورس و همچنین نانولوله و پلی فسفات آمونیوم را نشان داد. براساس این نتایج افزودن 7/0 نانولوله و 5% نانورس به کامپوزیت اپوکسی/شیشه شاخص حدی اکسیژن را از 6/26 به 34 می رساند. همچنین افزودن 7/0% نانولوله به همراه 15% پلی فسفات آمونیوم، این مقدار را به 37 رسانید. این در حالی است که طبق نتایج به دست آمده از پژوهش های قبلی، افزودن 15% پلی فسفات آمونیوم به تنهایی، شاخص حدی اکسیژن در کامپوزیت اپوکسی / شیشه را از 6/26 به 32 رسانده است. اگرچه در غلظت 7/0% نانولوله، بالاترین شاخص حدی اکسیژن حاصل شد، اما مقاومت گرمایی در این غلظت، کاهش نشان داد. در حالی که در غلظت 5/0% علاوه بر اینکه مقاومت گرمایی بهبود یافت، شاخص حدی اکسیژن نیز افزایش یافت. بنابراین غلظت 5/0%، به عنوان غلظت بهینه انتخاب شد و نمونه کامپوزیتی اپوکسی/ الیاف شیشه حاوی 5/0% نانولوله تحت آزمون گرماسنجی مخروطی قرار گرفت. نتایج آزمون نشان داد که در مقایسه بین نمونه مرجع ( کامپوزیت اپوکسی/ شیشه ) و نمونه حاوی 5/0% نانولوله، پیک رهایش گرما به میزان 10% و کل گرما آزاد شده به میزان 12% کاهش یافت. کاهش این دو مقدار به معنای کند سوز شدن کامپوزیت اپوکسی/ الیاف شیشه می باشد. همچنین از مقایسه نمونه مرجع و نمونه حاوی نانولوله مشاهده می شود که، افزودن نانولوله سبب شده نرخ آزاد شدن مونوکسید کربن و دی اکسید کربن کمتر شود. به عبارت دیگر در اثر افزودن 5/0% نانولوله، میزان گازهای سمی ناشی از احتراق کاهش یافته است. واژه های کلیدی: رزین اپوکسی، کامپوزیت لیفی، الیاف شیشه، نانولوله کربن، اشتعال پذیری، مقاومت گرمایی.