پژوهشگاه پلیمرو پتروشیمی ایران
پژوهشکده فرآیند
پایان‌نامه كارشناسی ارشد رشته مهندسی علوم و تکنولوژی پلیمر
تهیه نانو کامپوزیتهای هیبریدی بر پایه رزین یورتان- اکریلات/الیاف طبیعی/نانو رس و بررسی خواص آن‌ها
اساتید راهنما:
دکتر مسعود اسفنده
دکتر سید مجتبی میرعابدینی
استاد مشاور:
مهندس امیرمسعود رضادوست
زمستان 1389
برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود
(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)
تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :
(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)
فهرست
عنوان صفحه
1-3-1-تاریخچه تهیه و استفاده از نانو کامپوزیت‌ها 3
1-3-2-معرفی نانو کامپوزیت‌ها 3
فصل دوم : مروری بر مطالعات انجام شده. 5
2-1-فاز پیوسته (زمینه/ماتریس). 5
2-1-2-رزینهای پلی استر غیر اشباع.. 6
2-2-1-ویژگی‌های الیاف طبیعی.. 9
2-2-2-روش‌های اصلاح الیاف طبیعی.. 10
2-3-1-سیلیكات‌های لایه‌ای.. 15
2-3-2-ساختمان و خواص سیلیکات‌‌های لایه‌ای آلی دوست… 17
2-4-انواع نانو کامپوزیتهای خاک رس… 18
2-4-2-نانو کامپوزیت در هم رفته. 18
2-4-3-نانو کامپوزیت ورقه شده. 18
2-5-روش‌های تهیه نانوکامپوزیت‌‌های پلیمری.. 19
2-5-1-پلیمریزاسیون نفوذی درجا 19
2-5-2-درهم گرفتگی پلیمر یا پیش پلیمر از محلول ( محلولی). 20
2-6-روش‌های شناسایی نانوکامپوزیت‌‌های لایه‌ای.. 20
2-6-2-میکروسکوپی الکترونی عبوری.. 21
2-6-3-سایر تكنیك‌های شناسایی.. 22
2-7-روش‌های شکل دهی کامپوزیت‌ها 22
2-7-1-قالب‌گیری رزین تحت خلاً.. 23
2-7-2-تجهیزات فرآیند قالب‌گیری رزین تحت خلاً و راه اندازی.. 24
2-8-1-نانو کامپوزیتهای حاوی نانو ذرات رس… 27
2-8-2-کامپوزیتهای تقویت شده با الیاف طبیعی.. 30
3-2-1-پخش و باز نمودن نانو ذرات در ماتریس رزینی.. 43
3-3-مشخصه یابی پخش نانو‌ذرات و آماده‌سازی سطح الیاف… 45
3-3-2-آزمون پراش اشعه ایکس…. 45
3-3-3-میکروسکوپ الکترونی روبشی / تجزیه پرتو ایکس با انرژی پاشنده. 45
3-3-4-میکروسکوپ الکترونی عبوری.. 45
3-3-5-آزمون‌های مشخصه یابی آماده سازی سطح الیاف… 45
3-4-تهیه و تولید کامپوزیت و نانو کامپوزیت‌ها 46
3-4-3-سیستم پخت رزین یورتان-اکریلات… 48
3-4-4-تهیه کامپوزیتهای پر شده با نانو ذرات با استفاده از فرآیند ریخته‌گری.. 48
3-4-5-تولید کامپوزیتهای تقویت شده با الیاف طبیعی توسط فرآیند قالب‌گیری رزین تحت خلاً.. 49
3-5-آزمون‌های تعیین خواص نمونههای کامپوزیتی.. 51
4-1-نانوکامپوزیت‌‌های بر پایه رزین یورتان-اکریلات و نانو ذرات خاک رس… 54
4-1-1-مشخصه یابی نانو کامپوزیت… 54
4-1-2-خواص مکانیکی و فیزیکی.. 60
4-2-1-مشخصه یابی کامپوزیت‌ها و نانو کامپوزیت‌ها 74
4-2-2-خواص فیزیکی و مکانیکی.. 78
فصل پنجم : نتیجه‌گیری و پیشنهادات… 88
5-2-پیشنهادات جهت ادامه تحقیق.. 90
فهرست شکل‌ها
| شکل | صفحه |
| شکل 1-1 : رابطه تقریبی شعاع ذره با سطح آن | 3 |
| شکل 2-1 : شمایی از نحوه‌ی تهیه رزین یورتان-اکریلات | 6 |
| شکل 2-2 : شمایی از نحوه‌ی تهیه رزین پلی استر | 7 |
| شکل 2-3 : شمایی از نحوه‌ی تهیه رزین وینیل استر | 8 |
| شکل 2-4 : شماتیک الیاف طبیعی | 8 |
| شکل 12-5 : ساختار کریستالی سیلیکات‌‌های لایه‌ای | 16 |
| شکل 12‑6 : شماتیک اصلاح خاك رس | 18 |
| شکل2‑7 : ساختار نمادین سه نوع نانو کامپوزیت حاصل از اختلاط رس | 19 |
| شکل 2-8 : نمودار‌های XRD یک نمونه فلوئوروهکتوریت در ماتریس HDPE | 21 |
| شکل 2-9 : نحوه قرار گیری و ترتیب تجهیزات فرآیند قالب‌گیری رزین تحت خلاً | 24 |
| شکل 2-10 : نحوه‌ی چیدمان اجزای فرآیند جهت پرهیز از ورود رزین به خلأ | 26 |
| شکل 3-1: نحوه تهیه و ساختار شیمیایی رزین یورتان-آکریلات | 37 |
| شکل 3-2: تصویر پراش اشعه ایکس نانو ذرات خاک رس | 39 |
| شکل 3-3: الیاف کتان (فلاکس) با آرایش تک جهته | 39 |
| شکل 3-4: ساختار شیمیایی تری اتو کسی وینیل سیلان | 40 |
| شکل 3-5: شماتیک کلی کار انجام شده در پروژه | 42 |
| شکل 3-6: شماتیک روند تهیه رزین حاوی نانو ذرات | 44 |
| شکل 3-7: شماتیک اصلاح الیاف | 44 |
| شکل 3-8: تصویر نهایی قالب سیلیکونی ساخته شده جهت تهیه نمونههای آزمون به روش ریخته‌گری | 47 |
| شکل 3-9: تعدادی از نمونههای آزمون تهیه شده توسط فرآیند ریخته گری | 47 |
| شکل3-10: نمودار دما-زمان مدت زمان ژل برای رزین یورتان-اکریلات | 48 |
| شکل 3-11: شماتیک تهیه صفحات کامپوزیتی تقویت شده با الیاف توسط فرآیند قالب گیری رزین تحت خلاً | 49 |
| شکل 3-12: صفحه‌ی تولید شده توسط فرآیند قالب‌گیری رزین تحت خلاً، قبل از برش | 51 |
| شکل 3-13: قطعه برش خورده از صفحه تولید شده توسط فرآیند قالب‌گیری رزین تحت خلاً | 51 |
| شکل 4-1 : منحنی تغییرات ویسکوزیته رزین با افزایش میزان نانو ذرات خاک رس | 55 |
| شکل 4-2 : تصاویر پراش اشعه ایکس نانو کامپوزیتهای حاوی 0، 5/0، 5/1، 3، 5، 7 و 10 درصد وزنی نانو ذرات خاک رس | 56 |
| شکل 4-3 : ریز نگار میکروسکوپ الکترونی عبوری نمونه حاوی 3 درصد نانو خاک رس | 58 |
| شکل4-4: ریز نگار تجزیه پرتو ایکس با انرژی پاشنده (پخش آلومینیوم) نمونه RP+3N | 59 |
| شکل 4-5: نمودار تجزیه پرتو ایکس با انرژی پاشنده (مبنی بر وجود نانو ذرات) نمونه RP+3N | 59 |
| شکل 4-6: ریز نگار تجزیه پرتو ایکس با انرژی پاشنده (پخش آلومینیوم) نمونه RP+7N | 60 |
| شکل 4-7: نمودار تجزیه پرتو ایکس با انرژی پاشنده (مبنی بر وجود نانو ذرات) نمونه RP+7N | 60 |
| شکل 4-8 : تغییرات استحکام و مدول کششی نانو کامپوزیت‌ها با افزایش میزان نانو ذرات از 0 تا 10 درصد وزنی | 61 |
| شکل 4-9: دو نمونه با مدولی یکسان (الف) استحکام بیشتر (ب) استحکام کمتر | 63 |
| شکل 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 کشش | 64 |
| شکل 4-11 : تغییرات ازدیاد طول نانو کامپوزیتهای با درصد وزنی بالای نانو ذره و حاوی حباب‌های هوا قبل (الف) و بعد (ب) از آزمون کشش | 65 |
| شکل 4-12 : تغییرات استحکام و مدول خمشی نانو کامپوزیت‌ها با افزایش میزان نانو ذرات از 0 تا 10درصد وزنی | 66 |
| شکل 4-13 : تغییرات مقاومت در برابر ضربه نانو کامپوزیت‌ها با افزایش میزان نانو ذرات خاک رس از 0 تا 10 درصد وزنی | 68 |
| شكل 4-14: تصویر شماتیك مكانیزم افزایش استحكام ضربه در نانو کامپوزیتهای حاوی نانو ذرات | 68 |
| شکل 4-15: تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی نمونه RP | 69 |
| شکل 4-16: تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی نمونه RP+3N | 70 |
| شکل 4-17: تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی نمونه RP+7N | 70 |
| نمودار 4-18 : تغییرات جذب آب نانو کامپوزیت‌ها با افزایش میزان نانو ذرات خاک رس از 0 تا 10 درصد وزنی | 71 |
| نمودار 4-19 : تغییرات سختی بارکول نانو کامپوزیت‌ها با افزایش میزان نانو ذرات خاک رس از 0 تا 10 درصد وزنی | 72 |
| شکل 4-20: شماتیک طول پیموده شده جهت سوختن نمونههای حاوی 0 تا 10 درصد وزنی نانو ذرات خاک رس | 73 |
| شکل 4-21: (الف) تصویر میکروسکوپ الکترونی نمونه FRP (ب) تصویر تجزیه پرتو ایکس با انرژی پاشنده (پخش کربن) نمونه FRP (با بزرگنمایی 20 میکرومتر) | 75 |
| شکل 4-22: نمودار تجزیه پرتو ایکس با انرژی پاشنده نمونه FRP مبنی بر عدم وجود عوامل سیلانی و نانو ذرات | 75 |
| شکل 4-23 : (الف) تصویر میکروسکوپ الکترونی نمونه FRST (ب) تصویر تجزیه پرتو ایکس با انرژی پاشنده (پخش سیلان) نمونه FRST)(با بزرگنمایی 20 میکرومتر) | 76 |
| شکل 4-24 : نمودار تجزیه پرتو ایکس با انرژی پاشنده نمونه FRST مبنی بر وجود عامل سیلان در الیاف | 76 |
| شکل 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) | 77 |
| شکل 4-26 : نمودار تجزیه پرتو ایکس با انرژی پاشنده نمونه FRSTN مبنی بر وجود عامل سیلانی در الیاف و نانو ذرات در ماتریس رزینی | 77 |
| شکل 4-27 : تغییرات استحکام و مدول کششی نانو کامپوزیتهای هیبریدی تقویت شده با الیاف فلاکس | 78 |
| شکل 4-28 : شماتیک فصل مشترک به وجود آمده پس از اعمال عامل اصلاح کننده سیلانی بین اجزاء کامپوزیت | 79 |
| شکل 4-29 : تغییرات مقاومت در برابر ضربه کامپوزیت و نانوکامپوزیت‌‌های هیبریدی | 82 |
| شکل 4-30: ریز نگار میکروسکوپ الکترونی روبشی نمونه FRP در ابعاد 50 میکرومتر (الف) و 20 میکرومتر (ب) | 83 |
| شکل 4-31: ریز نگار میکروسکوپ الکترونی روبشی نمونه FRST در ابعاد 50 میکرومتر (الف) و 20 میکرومتر (ب) | 83 |
| شکل 4-32: ریز نگار میکروسکوپ الکترونی روبشی نمونه FRSTN در ابعاد 50 میکرومتر (الف) و 20 میکرومتر (ب) | 84 |
| شکل 4-33 : تغییرات استحکام و مدول خمشی نانو کامپوزیتهای هیبریدی تقویت شده با الیاف فلاکس | 85 |
| شکل 4-34 : تغییرات جذب آب کامپوزیت و نانو کامپوزیتهای هیبریدی تقویت شده با الیاف فلاکس | 86 |
فهرست جداول
| جدول | صفحه |
| جدول 2-1 : خواص الیاف فلاکس در مقایسه با الیاف شیشه | 9 |
| جدول 2-2 : تعدادی از سیلان‌ها و محدوده کاربرد آن‌ها | 13 |
| جدول 2-3 : چند نمونه از ترکیبات سیلانی با گروه آلی متفاوت | 13 |
| جدول 3-1 : خواص رزین مایع در دمای°C 25 | 37 |
| جدول 3-2 : ترکیب درصد سیستم پخت نسبت به ماتریس پلیمری | 38 |
| جدول 3-3 : خواص نانو ذره مورد استفاده | 38 |
| جدول 3-4: ترکیب درصد اجزای شیمیایی و خواص مشخصه الیاف کتان مصرفی | 39 |
| جدول 3-5: مقایسه خواص الیاف فلاکس و الیاف شیشه | 40 |
| جدول 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 وزنی | 63 |
| جدول 4-2 : تغییرات ازدیاد طول در نقطه شکست کامپوزیت و نانو کامپوزیت‌ها هیبریدی تقویت شده با الیاف فلاکس | 81 |
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.
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.
تعداد صفحه : 119
قیمت : 14700تومان
