پژوهشكده فرآيند
تهيه نانوکامپوزيتهاي هيبريدي بر پايه رزول/گرافن/الياف کربن و بررسي خواص مکانيکي و حرارتي آنها
پاياننامه كارشناسي ارشد رشته مهندسي صنايع پليمر
محمد صادق متفکر
اساتيد راهنما
دکتر مسعود اسفنده
دکتر امير مسعود رضادوست
زمستان 1393
فهرست مطالب
چکيده ……………………………………………………………………………………………………………..1
1-فصل اول1
1-1- مقدمه2
1-2- هدف3
1-3- پيشينه تحقيق3
1-3-1- رزين هاي فنوليک3
1-3-2- نانوکامپوزيت هاي گرافن4
1-4- روش کار و تحقيق5
2-فصل دوم: مروري بر مطالعات انجام شده6
2-1- مقدمه6
2-2- کامپوزيت7
2-2-1- کاربردهاي کامپوزيت ها8
2-2-2- ضرورت سبک سازي کامپوزيت ها9
2-2-3- روش هاي سبک سازي کامپوزيت ها9
2-2-4- رزين هاي مورد استفاده در کامپوزيت ها9
2-3- رزين هاي فنوليک10
2-3-1- پخت رزين هاي فنوليک10
2-3-2- پخت حرارتي رزول ها11
2-3-3- خواص رزين هاي فنوليک14
2-3-4- مزاياي رزين هاي فنوليک15
2-3-5- معايب رزين هاي فنوليک15
2-3-6- کاربردهاي رزين فنوليک16
2-4- الياف16
2-4-1- الياف کربن17
2-5- نانوکامپوزيت ها18
2-5-1- تعريف نانوکامپوزيت ها19
2-5-2- کاربرد نانوکامپوزيت ها19
2-6- گرافن20
2-6-1- روش هاي توليد نانوکامپوزيت هاي گرافن22
2-6-1-أ‌- اختلاط محلولي22
2-6-1-ب‌- اختلاط مذاب23
2-6-1-ت‌- پليمريزاسيون درجا24
2-7- خواص مختلف نانوکامپوزيت هاي گرافن25
2-7-1- خواص مکانيکي نانوکامپوزيت هاي گرافن25
2-7-1-أ‌- خواص مکانيکي کامپوزيت هاي کربن/کربن34
2-7-2- هدايت الکتريکي نانوکامپوزيت هاي گرافن36
2-7-3- خواص حرارتي نانوکامپوزيت هاي گرافن37
2-7-3-أ‌- هدايت حرارتي نانوکامپوزيت هاي گرافن37
2-7-3-ب‌- پايداري حرارتي نانوکامپوزيت هاي گرافن39
2-7-3-ت‌- اثر گرافن بر روي آنتالپي و دماي شروع پخت و دماي انتقال شيشه اي نانوکامپوزيت ها45
2-7-4- مدل سازي خواص مکانيکي نانوکامپوزيت هاي گرافن50
2-8- نتيجه گيري50
3-فصل سوم: مواد و روش هاي آزمون51
3-1- مقدمه51
3-2- مواد مصرفي51
3-2-1- رزين فنوليک52
3-2-2- الياف کربن52
3-2-3- گرافن53
3-3- تجهيزات و دستگاه هاي مورد استفاده54
3-4- روش تهيه نمونه ها54
3-4-1- تعيين درصد جامد رزول55
3-4-2- تعيين زمان رسيدن به B-stage55
3-4-3- پخش نانو ذرات گرافن در حلال و رزين56
3-4-4- نحوه تهيه نمونه نهايي و ساخت نانوکامپوزيت هيبريدي رزول بر پايه الياف کربن و گرافن56
3-4-5- نحوه تهيه نمونه هاي کربنيزه شده نانوکامپوزيت رزول بر پايه الياف کربن و گرافن56
3-5- آزمون هاي انجام شده58
3-5-1- بررسي مورفولوژي نانوکامپوزيت به کمک ميکروسکوپ الکتروني روبشي (SEM)58
3-5-2- بررسي ساختار شيميايي رزين و نانوکامپوزيت با استفاده ازطيف سنجي زير قرمز به روش FTIR58
3-5-3- بررسي پايداري حرارتي نانوکامپوزيت رزين فنوليک/گرافن با استفاده از آزمون گرما وزن سنجي (TGA )59
3-5-4- بررسي پخت نانوکامپوزيت رزين فنوليک/گرافن با استفاده از آزمون گرماسنجي روبشي تفاضلي (DSC)60
3-5-5- بررسي نحوه پخش نانو ذرات با استفاده از آزمون طيف سنجي تفرق پرتو ايكس (XRD)60
3-5-6- بررسي مورفولوژي نانوکامپوزيت با استفاده از آزمون ميکروسکوپ الکتروني عبوري (TEM)61
3-5-7- بررسي خواص خمشي نانوکامپوزيت رزين فنوليک/گرافن/ الياف کربن62
3-5-8- بررسي خواص استحکام برشي نانوکامپوزيت رزين فنوليک/گرافن/ الياف کربن62
4-فصل چهارم: نتايج65
4-3- مقدمه65
4-4- تعيين مشخصات مواد مصرفي65
4-4-1- تعيين درصد مواد جامد و فرار رزول65
4-4-2- تعيين گرانروي رزين66
4-4-3- بررسي ساختار شيميايي رزين رزول IL800 با استفاده از FTIR66
4-4-4- بررسي ساختار شيميايي صفحات گرافن67
4-4-5- بررسي شکل و اندازه صفحات گرافن با استفاده از SEM68
4-4-6- بررسي ريز ساختار صفحات گرافن و نانوکامپوزيت هاي آن70
4-4-6-أ‌- بررسي ريز ساختار صفحات گرافن و نانوکامپوزيت هاي آن با استفاده از WAXS70
4-4-6-ب‌- بررسي ساختار گرافن با استفاده از TEM78
4-4-6-ت‌- بررسي ريز ساختار نانوکامپوزيت با استفاده TEM72
4-5- نتايج مربوط به آزمون هاي بررسي خواص مکانيکي نانوکامپوزيت هاي هيبريدي رزول/ گرافن/ الياف کربن73
4-5-1- بررسي خواص خمشي نانوکامپوزيت هاي تهيه شده73
4-5-2- بررسي خواص برشي نانوکامپوزيت هاي تهيه شده80
4-5-3- استحکام برشي نانوکامپوزيت هاي کربن/کربن86
4-6- بررسي ريزساختار نمونه ها به كمك SEM88
4-6-1- بررسي ريزساختار رزين فنوليك و نمونه هاي حاوي گرافن88
4-6-2- بررسي ريزساختار نانوکامپوزيت هيبريدي رزين فنوليک/الياف کربن/ نانوگرافن توسط (SEM)93
4-6-3- بررسي ريزساختار نانوکامپوزيت هاي کربن/کربن رزين فنوليک/الياف کربن/ نانوگرافن توسط (SEM)98
4-6-4- بررسي پخت رزول و نانوکامپوزيت هاي حاصل از آن102
4-6-4-أ‌- بررسي پخت به کمک FTIR102
4-6-4-ب‌- بررسي پخت رزين فنوليک و نانوکامپوزيت حاوي گرافن به کمک DSC105
4-6-5- بررسي پايداري حرارتي رزين فنوليک و اثر کسر وزني گرافن بر روي آن با استفاده از TGA107
5-فصل پنجم: خلاصه و پيشنهادات110
5-1- نتيجه گيري110
5-2- پيشنهادات جهت ادامه کار112
مراجع……………………………………………………………………………………………………………………………113
فهرست شکل‌ها
شکل ‏2-1 ترکيبات واسط در پخت رزين فنوليک13
شکل ‏2-2 ساختار رزول پخت شده14
شکل ‏2-3 ساختار شماتيک گرافن21
شکل ‏2-4 انواع ساختارهاي گرافيتي گرافن، پيچيده شدن ساختار بدون بعد توپ مانند، لوله شدن ساختار يک بعدي نانولوله ها و چسبيدن صفحات گرافن ساختار سه بعدي.22
شکل ‏2-5 تصاوير ميکروسکوپ الکتروني عبوري (TEM) از نانوکامپوزيت 1% وزني پلي اتيلن/ گرافن تهيه شده به روش محلولي ( aو b) و مذاب (c و d)24
شکل‏2-6 استحکام کششي نانوکامپوزيت هاي اپوکسي با درصد وزني پرکننده 1/0%25
شکل ‏2-7 مدول يانگ نانوکامپوزيت هاي اپوکسي با درصد وزني پرکننده 1/0% مقايسه شده با حالت تئوري مدل هالپين تساي.26
شکل ‏2-8 نمودار چقرمگي شکست و انرژي شکست نانوکامپوزيت هاي اپوکسي با درصد وزني پرکننده 1/0%26
شکل ‏2-9 نمودار نرخ رشد ترک برحسب دامنه تنش27
شکل ‏2-10 مدول کششي و استحکام کششي نهايي نانوکامپوزيت اپوکسي و صفحات گرافن اکسايد28
شکل ‏2-11 مدول خمشي و استحکام خمشي نهايي نانوکامپوزيت اپوکسي/ گرافن اکسايد.28
شکل ‏2-12 چقرمگي شکست و انرژي شکست نانوکامپوزيت اپوکسي/گرافن اکسايد29
شکل ‏2-13 آزمون خستگي رزين اپوکسي خالص و رزين حاوي5/0% وزني گرافن اکسايد29
شکل ‏2-14- الف- استحکام خمشي و ب- مدول خمشي براي نانوکامپوزيت فنوليک حاوي درصدهاي مختلف از گرافن (NGP) و نانو الياف کربن (VGCNF)30
شکل ‏2-15 آزمون کششي کامپوزيت رزين فنوليک با ذرات گرافيت اکسايد در اندازه هاي مختلف31
شکل ‏2-16 چقرمگي شکست رزين اپوکسي اصلاح شده با گرافن اکسايد و گرافيت34
شکل ‏2-17مقاومت الکتريکي نانوکامپوزيت اپوکسي با درصدهاي مختلف گرافن37
شکل ‏2-18 فاکتور افزايش هدايت حرارتي بر حسب مقادير مختلف پرکننده براي کامپوزيت هاي اپوکسي38
شکل ‏2-19 هدايت حرارتي نانوکامپوزيت هاي اپوکسي/ گرافن، اپوکسي/نانولوله هاي کربني چند ديواره و اپوکسي با گرافن اصلاح شده (Py-PGMA)39
شکل ‏2-20 آزمون گرما وزن سنجي براي گرافن اکسايد احيا شده در دماهاي مختلف40
شکل ‏2-21 آزمون گرما وزن سنجي رزين فنوليک پر شده با 5/0% وزني از صفحات گرافن اکسايد احيا شده در دماهاي مختلف41
شکل ‏2-22 آزمون گرما وزن سنجي نانوکامپوزيت با درصدهاي مختلف از صفحات گرافن اکسايد41
شکل ‏2-23 طيف پراش اشعه ايکس الف) رزين خالص ب) نانوکامپوزيت رزين فنوليک حاوي 5/0% وزني گرافن اکسايد42
شکل ‏2-24 نمودار گرما وزن سنجي مربوط به نانوکامپوزيت رزين فنوليک حاوي درصدهاي مختلف از صفحات گرافن و نانو الياف کربن43
شکل ‏2-25 نمودار گرما وزن سنجي کامپوزيت رزين فنوليک با ذرات گرافيت اکسايد در اندازه هاي مختلف44
شکل ‏2-26 نمودار گرما وزن سنجي مربوط به رزين فنوليک خالص و رزين فنوليک حاوي 5/0% وزني گرافن اکسايد45
شکل ‏2-27 آزمون گرماسنجي پويشي تفاضلي از رزين فنوليک خالص و نانوکامپوزيت حاوي 5/0% وزني گرافن اکسايد46
شکل ‏2-28 الف – نمودار DSC رزين فنوليک و نانوکامپوزيت هاي آن با 5/0% وزني گرافن و نانو الياف کربن و ب – تغييرات آنتالپي پخت با تغيير درصد گرافن و نانو الياف کربن47
شکل ‏2-29 نمودار گرماسنجي پويشي تفاضلي کامپوزيت رزين فنوليک با ذرات گرافيت اکسايد در اندازه هاي مختلف48
شکل ‏2-30 تغييرات مدول ذخيره و tan ? بر حسب دما براي رزين فنوليک و کامپوزيت رزين فنوليک/ 5/0% گرافن اکسايد49
شکل ‏2-31 نمودار گرماسنجي پويشي تفاضلي رزين فنوليک خالص و رزين فنوليک حاوي 5/0% وزني گرافن اکسايد49
شکل ‏3-1 تصويري از دستگاه ميكروسكوپ الكتروني روبشي58
شکل ‏3-2 تصويري ازدستگاه FTIR مدل Equinox 5559
شکل ‏3-3 تصويري از دستگاه DSC مدل Star SW 10.0060
شکل ‏3-4 تصويري از دستگاه طيف سنج تفرق پرتو ايكس61
شکل ‏3-5 تصويري از ميكروسكوپ الكتروني عبوري (TEM)61
شکل ‏3-6 انواع شکست ها در آزمون خمش با تکيه گاه کوتاه63
شکل ‏4-1 طيف FTIR رزول خالص پخت نشده67
شکل ‏4-2 طيف FTIR صفحات گرافن68
شکل ‏4-3 تصوير SEM از صفحات گرافن با زير لايه شيشه اي با بزرگ نمايي x1000069
شکل‏4-4 تصوير SEM از صفحات گرافن با زير لايه مشبک در بزرگ نمايي الف (x20000) و ب (x70000)69
شکل ‏4-5 سه حالت نمادين براي پرکننده هاي سيليکاتي امکانپذير براي نانوکامپوزيت هاي بر پايه گرافن: الف) انباشته شده، ب) بين لايه اي شده، ج) ورقه ورقه شده70
شکل ‏4-6 طيف WAXS صفحات گرافن و نانوکامپوزيت با درصدهاي وزني مختلف از آن71
شکل ‏4-7 تصوير TEM از صفحات گرافن72
شکل ‏4-8 تصوير TEM نانوکامپوزيت رزين فنوليک حاوي 1% وزني گرافن73
شکل ‏4-9 نمودار تنش-کرنش نانوکامپوزيت رزول/الياف کربن با درصدهاي وزني مختلف از گرافن74
شکل ‏4-10 مدول خمشي نمونه mm5 نانوکامپوزيت رزول/ الياف کربن با درصدهاي مختلف از گرافن75
شکل ‏4-11 استحکام خمشي نمونه هاي mm5 نانوکامپوزيت رزول/ الياف کربن با درصدهاي مختلف از گرافن76
شکل ‏4-12 کرنش در شکست نمونه هاي mm5 نانوکامپوزيت رزول/ الياف کربن با درصدهاي مختلف از گرافن77
شکل ‏4-13 چقرمگي نمونه هاي mm5 نانوکامپوزيت رزول/ الياف کربن با درصدهاي مختلف از گرافن78
شکل ‏4-14 مدول خمشي نمونه هاي mm3 نانوکامپوزيت رزول/ الياف کربن با درصدهاي مختلف از گرافن79
شکل ‏4-15 استحکام خمشي نمونه هاي mm3 نانوکامپوزيت رزول/ الياف کربن با درصدهاي مختلف از گرافن80
شکل ‏4-16 شکست برگشت ناپذير81
شکل ‏4-17 شکست برشي بين لايه اي در کامپوزيتهاي رزول/گرافن/ الياف کربن81
شکل ‏4-18 جدا شدن لايه هاي به هم چسبيده الياف کربن در کامپوزيتهاي رزول/گرافن/ الياف کربن81
شکل ‏4-19 نمودارهاي تست خمش با فاصله تکيه گاه کوتاه A (R/50CF/0G)، B (R/50CF/0.5G)، C (R/50CF/1G)، D (R/50CF/2G) و E (R/50CF/3G).82
شکل ‏4-20 نمودار ستوني نيروي پيش برنده شکست نمونه هاي با درصدهاي مختلف از گرافن83
شکل‏4-21 استحکام برشي نانوکامپوزيت هاي با ضخامت mm5 حاوي درصدهاي مختلف گرافن85
شکل ‏4-22 استحکام برشي نانوکامپوزيت هاي با ضخامت mm3 حاوي درصدهاي مختلف گرافن86
شکل ‏4-23 استحکام برشي نانوکامپوزيت هاي کربن/کربن با ضخامت mm5 حاوي درصدهاي مختلف گرافن87
شکل ‏4-24 استحکام برشي نانوکامپوزيت هاي کربن/کربن با ضخامت mm3 حاوي درصدهاي مختلف گرافن88
شکل‏4-25- تصوير SEM از سطح شكست رزين فنوليك خالص بدون گرافن با بزرگ نمايي x50089
شکل‏4-26 تصوير SEM از سطح شکست رزين فنوليك حاوي 5/0% وزني گرافن با بزرگ نمايي الف ( x1000) و ب (x500)90
شکل‏4-27 تصوير SEM از سطح شكست رزين فنوليك حاوي 1% وزني گرافن با بزرگ نمايي الف (x500) و ب (x5000)91
شکل ‏4-28 تصوير SEM از سطح شكست رزين فنوليك حاوي 2% وزني گرافن با بزرگ نمايي الف (x500)، ب (x5000) و ج (x10000)92
شکل‏4-29 تصوير SEM از سطح شكست رزين فنوليك حاوي 3% وزني گرافن با بزرگ نمايي الف (x5000) و ب (x493)93
شکل‏4-30 تصوير SEM از سطح شكست کامپوزيت رزين فنوليك/ الياف کربن با بزرگ نمايي هاي الف (x2000)، ب (x3000)، ج (x5000)، د (x12000) و ه (x5000)94
شکل ‏4-31 تصوير SEM از سطح شكست کامپوزيت رزين فنوليك/ الياف کربن با 5/0% وزني گرافن با بزرگ نمايي الف x)12000) و ب (x 5000)95
شکل ‏4-32 تصوير SEM از سطح شكست کامپوزيت رزين فنوليك/ الياف کربن با 1% وزني گرافن با بزرگ نمايي هاي الف x)3000)، ب (x12000)، ج (x5000) و د (x5000)96
شکل ‏4-33 تصوير SEM از سطح شكست کامپوزيت رزين فنوليك/ الياف کربن با 2% وزني گرافن با بزرگ نمايي الف و ب (x5000)97
شکل ‏4-34 تصوير SEM از سطح شكست کامپوزيت رزين فنوليك/ الياف کربن همراه با 3% وزني گرافن با بزرگ نمايي الف x)3000) و ب (x5000)98
شکل ‏4-35 تصوير SEM از کامپوزيت کربن/کربن بدون نانو با بزرگ نمايي x100099
شکل ‏4-36 تصوير SEM از كامپوزيت كربن/كربن با 5/0% وزني گرافن با بزرگ نمايي x100099
شكل ‏4-37 تصوير SEM از كامپوزيت كربن/كربن با 1% وزني گرافن با بزرگنمايي x2000100
شكل ‏4-38 تصوير SEM از كامپوزيت كربن/كربن با 2% وزني گرافن با بزرگنمايي x1000100
شكل ‏4-39 تصوير SEM ازكامپوزيت كربن/كربن با 3% وزني گرافن با بزرگنمايي x1000101
شكل ‏4-40 تصوير رزين فنوليك خالص كربنيزه شده101
شكل ‏4-41 تصوير رزين فنوليك كربنيزه شده حاوي 1% وزني گرافن102
شكل ‏4-42 طيف FTIR رزين فنوليك خالص پخت شده و پخت نشده103
شکل ‏4-43 شماتيک واکنش بين صفحات گرافن اکسايد و رزين فنوليک104
شكل ‏4-44 طيف FTIR رزين فنوليك پخت شده خالص و داراي 1% وزني گرافن104
شکل ‏4-45 مقايسه پيک FTIR ناحيه استري رزين فنوليك پخت شده خالص و داراي 1% وزني گرافن105
شکل ‏4-46 نمودار DSC رزول خالص و رزول داراي گرافن با سرعت حرارت دهي ?C.min-17106
شکل ‏4-47 نمودار TGA رزين فنوليک خالص و رزين فنوليک حاوي درصدهاي مختلف گرافن108
شکل ‏4-48 نمودار DTG رزين فنوليک خالص و رزين فنوليک حاوي درصدهاي مختلف گرافن108
فهرست جداول
جدول ‏2-1 مشخصات رزين فنوليک تقويت نشده15
جدول ‏2-2 فرمولاسيون نمونه هاي تهيه شده31
جدول ‏2-3 مدول يانگ و استحکام کششي نانوکامپوزيت فنوليک با درصدهاي مختلف از گرافن اکسايد32
جدول ‏2-4 خواص رزين اپوکسي و نانوکامپوزيت حاصل از آن33
جدول ‏2-5 خواص کششي نانوکامپوزيت هاي اپوکسي34
جدول ‏2-6 ميزان ذغال گذاري رزين خالص و نانوکامپوزيت رزين فنوليک با درصدهاي مختلف از گرافن و نانو الياف کربن44
جدول ‏3-1 مواد اوليه مورد استفاده در پروژه51
جدول ‏3-2 مشخصات رزين فنوليک رزول52
جدول ‏3-3 مشخصات عمومي الياف کربن53
جدول ‏3-4 مشخصات نانو ذره گرافن53
جدول ‏3-5 تجهيزات و دستگاه ها54
جدول ‏3-6 كد گذاري و تركيب درصد نمونه هاي گرافن/رزول/الياف کربن57
جدول ‏3-7 كد گذاري و تركيب درصد نمونه هاي كربنيزه شده گرافن/رزول/الياف کربن57
جدول ‏4-1 ميزان گرانروي رزين فنوليک IL800 اندازه گيري شده توسط ويسکومتر چرخشي66
جدول ‏4-2 نتايج مربوط به اثر گرافن بر رفتار پخت رزول خالص و رزول حاوي گرافن در سرعت حرارت دهي (?C.min-17)106
جدول ‏4-3 خواص حرارتي رزين فنوليک خالص و رزين فنوليک حاوي درصدهاي مختلف گرافن109
چکيده
رزينهاي فنوليک داراي پايداري ابعادي، حرارتي، مقاومت شيميايي و خوردگي بسيار عالي هستند. همچنين مواد فرا?ر توليد شده در حين تخريب حرارتي اين رزين داراي سميت پايين بوده و علاوه بر اين داراي ذغال گذاري بالا ميباشد. رزينهاي فنوليک به علت دارا بودن خواص مطلوب ذکر شده کاربردهاي فراواني در حوزههايي مانند قطعات داخلي هواپيماهاي جنگي، سازههاي مورد استفاده در سکوهاي دريايي، پلاستيکهاي دير سوز و کامپوزيتهاي کربن/کربن يافتهاند. در اين پژوهش نمونههاي رزين فنوليک از نوع رزول تقويت شده با الياف کربن و نانو ذرات گرافن تهيه شد. مقادير مختلفي از گرافن (5/0%، 1%، 2% و 3%) در محلول 50% وزني رزين فنوليک و اتانول توسط امواج فراصوت به مدت 10 دقيقه با 60% توان دستگاه پخش گرديد. پس از آن کامپوزيتهاي هيبريدي حاوي 50% وزني الياف کربن به روش لايه گذاري دستي تهيه شد و فرآيند پخت نمونهها در دماي ?C160، فشار 120 بار توسط پرس گرم صورت گرفت. مورفولوژي، خواص حرارتي و خواص مکانيکي نانوکامپوزيتهاي تهيه شده توسط آزمونهاي XRD، FTIR، SEM، TEM، DSC، TGA و خمش سه نقطهاي بررسي گرديد و نتايج حاصل مورد مقايسه قرار گرفت. با افزودن 1% وزني گرافن به کامپوزيتهاي حاصله مدول و استحکام خمشي نمونهها به ترتيب 5/19% (GPa2/38) و 7/8 % (MPa471) افزايش يافت. همچنين استحکام برشي نمونه حاوي 1% وزني گرافن 23% نسبت به نمونه خالص افزايش پيدا کرد. مقاومت حرارتي کامپوزيتهاي رزين فنوليک/گرافن در مقايسه با رزين خالص افزايش قابل ملاحظهاي نشان داد. به عنوان مثال در نمونه حاوي 1% وزني گرافن افزايش مشاهده شده در شاخصهاي T5%، T10% و Td,max به ترتيب 12، 30 و ?C5 بود. نتايج حاصل از آزمون DSC نشان داد که افزودن نانو ذرات گرافن باعث کاهش آنتالپي واکنش پخت و همچنين انتقال پيک گرمازا به دماهاي بالاتر ميگردد. اين امر ميتواند نشان دهنده اثر ممانعت فضايي صفحات گرافن در حين واکنش پخت باشد که ناشي از مساحت سطح بالاي صفحات گرافن است.
کليد واژه: رزين فنوليک، گرافن، الياف کربن، برش بين لايهاي، خواص مکانيکي
فصل اول
مقدمه
در دهه گذشته توسعه نانوکامپوزيتهاي پليمري جديد رشد قابل توجهاي داشته است. در مقابل کامپوزيتهاي متعارف و معمول، نانوکامپوزيتها داراي ويژگي هستند که در آن از پرکنندهاي که حداقل در يک بعد داراي اندازه کمتر از nm100 باشد استفاده شده است. از جمله مزاياي نانوکامپوزيتهاي پليمري اين است که خواص متعددي به پليمر اوليه ميدهد با وجود اين که نسبت به ديگر تقويت کنندهها محدوديت کمتري در فرآيندپذيري آن ايجاد مينمايد[1]. کليد اين ويژگيها در طراحي و رفتار نانوکامپوزيتهاي پليمري است که شامل اندازه و خواص نانو ذره پرکننده و سطح مشترک بين نانو ذره پرکننده و ماتريس ميباشد[2].
در گذشته نه چندان دور پايه نانوکامپوزيتهاي پليمري جديد نانولولههاي کربني1 بود که تحقيقات وسيعي روي آن انجام گرفت. دسته شدن و تجمع ذاتي نانولولههاي کربني و هزينه بالاي توليد آن کاربرد اين مواد را محدود کرده است[3]. در اين ميان گرافن2 به عنوان يک جايگزين که نويد بخش توليد نانوکامپوزيتهاي پليمري جديد است توجهها را به خود معطوف کرده که ناشي از خواص عالي آن از جمله خواص حرارتي، الکتريکي، مکانيکي و فيزيکي ميباشد[4].
هدف
امروزه در بسياري از کاربردهاي مهندسي، به تلفيق خواص مواد نياز است و امکان استفاده از يک نوع ماده که همه خواص مورد نظر را برآورده سازد، وجود ندارد. به عنوان مثال در صنايع هوافضا به موادي نياز است که ضمن داشتن استحکام بالا، سبکي ، مقاومت سايشي و مقاومت در برابر نور ماوراء بنفش خوبي داشته باشند و در دماي بالا استحکام خود را از دست ندهند. از آنجايي که يافتن مادهاي که همه خواص فوق را دارا باشد، دشوار است، بهتر است به دنبال روشي براي ترکيب خواص مواد باشيم، اين راه حل همان استفاده از مواد کامپوزيتي است. در اين پژوهش، فعاليتهاي تحقيقي در زمينه تهيه نانوکامپوزيتهاي هيبريدي رزول/گرافن/الياف کربن صورت گرفت تا پارامترهاي موثر در تهيه و ترکيب درصد بهينه آنها شناسايي شوند و سپس نقش صفحات گرافن بر روي پخت، مقاومت حرارتي، مورفولوژي و ساختار شيميايي رزين فنوليک و همچنين چسبندگي رزين به الياف و خواص مکانيکي حاصل از آن بررسي گردد.
پيشينه تحقيق
رزينهاي فنوليک
رزينهاي فنوليک يا رزين فنول فرمالدهيد که بعضاً به آن فنوپلاست3 نيز ميگويند، رزيني است که از واکنش فنول يا مشتقات آن، با يک آلدهيد به دست ميآيد که معمولا آلدهيد مصرفي فرمالدهيد ميباشد. توليد اين رزين در سال 1905 توسط بيکلند4 آغاز شد. او به روشهاي کنترل و توسعه واکنش براي به دست آوردن محصولي مفيد پيبرد و در سال 1907 موفق به اخذ اولين امتياز در اين زمينه شد. اگرچه واکنش بين فنول و آلدهيدها مدتها قبل از اين تاريخ شناخته شده بود ولي با افزودن پرکنندههاي معدني و پودر چوب به رزين، موادي مناسب قالبگيري تهيه کرد و آنها را تحت فشار و دما قالبگيري نمود و اولين کمپاني ساخت اين مواد را تحت نام باکليت5 در سال 1910 در آلمان افتتاح کرد. رزين فنوليک تقويت شده با پارچه نيز در سال 1930 ميلادي توليد گرديد[5].
نانوکامپوزيتهاي گرافن
حوزه فناوريهاي مرتبط با نانو بيش از حدود 25 سال پيش توسعه يافته و اهميت آن روز به روز بيشتر گرديد. اخيرا نانو مواد محدوده وسيعي از کاربردها را به خاطر ويژگيهاي ساختاريشان به خود اختصاص دادهاند با اين حال دانشمندان مواد، به دنبال موادي با خواص فيزيکي خوب که از لحاظ ابعادي در محدوده نانو باشند، هستند. از اين نظر کشف گرافن و نانوکامپوزيتهاي پليمري بر پايه آن در جايگاه دانش نانو بسيار حائز اهميت بوده و نقش کليدي را در دانش و تکنولوژي جديد ايفا ميکند. در مجموع استفاده از نانو مواد غير آلي به عنوان تقويت کننده در توليد کامپوزيتهاي پليمري/ مواد معدني به دليل خواص منحصر به فرد آنها بسيار مورد توجه قرار گرفته و در صنايع خودرو، هواپيماسازي، ساختمان و الکترونيک به کار ميروند. تحقيقات عمدهاي روي نانوکامپوزيتهاي پليمري بر پايه مواد لايهاي از منابع طبيعي از جمله مونت موريلونت6 از ترکيبات سيليکات و خاک رس سنتزي متمرکز شدهاند. رسانايي الکتريکي و حرارتي خاک رس خيلي ضعيف است لذا به منظور رفع اين مشکل نانو پرکنندههاي بر پايه کربن از جمله دوده7، نانولولههاي کربني، گرافن و نانو اليافکربن8 براي تهيه نانوکامپوزيتهاي پليمري معرفي شدند[4].
کشف گرافن با ترکيبات آن و تواناييهايش براي پراکنش خوب درون ماتريسهاي پليمري مختلف، يک شاخه جديدي از نانوکامپوزيتهاي پليمري را به وجود آورد. گرافن يک تک لايه اتمي نازک است که درون يک صفحه دوبعدي با اتمهاي کربن SP2مانند يک ساختار لانه زنبوري آرايش يافته است. دگرشکلهاي9 کربن با ابعاد متفاوت از گرافن درست ميشود[6]. به عنوان مثال گرافيت (دگرشکل سه بعدي کربن) از صفحات گرافن که به هم چسبيدهاند و فاصلهاي حدود ?A37/3 دارند تشکيل ميشود. دگرشکل بدون بعد کربن که فولرن10 نام دارد و به صورت کروي است و ميتوان به صورت رويايي در نظر گرفت که آن از پيچيده شدن صفحات گرافن درست شود. دگرشکل يک بعدي کربن، نانولولههاي کربني ميباشد که ميتوانند از طريق لوله شدن و باريک شدن صفحات گرافن ساخته شوند. در واقع اين دگر شکلهاي کربن از گرافن سنتز نميشوند. خود گرافيت يک ماده طبيعي است که در سال 1555 در Brrowdale انگلستان به دست آمد اما اولين باري که از آن استفاده شد شايد به 4000 سال پيش برگردد. نانولولههاي کربني تک ديواره اولين بار در سال 1991 بعد از کشف فولرن در سال 1985 سنتز شد. البته اولين گزارشهاي منتشر شده براي سنتز و توليد گرافن به سال 1970 برميگردد. جداسازي يک تک لايه گرافن براي اولين بار در سال 2004 از طريق لايه لايه کردن ميکرو مکانيکي گرافيت به دست آمده است. خواص استثنايي تک لايه گرافن مانند مدول يانگ TPa1 و استحکام GPa130 آن را به قويترين مادهاي که تاکنون خواص آن اندازهگيري شده تبديل کرده است. هدايت حرارتي و الکتريکي آن به ترتيب W/mK5000 و S/cm6000 است که بالاتر از مقادير گزارش شده براي نانولولههاي کربني ميباشد. همچنين مساحت سطح صفحات گرافن بسيار زياد است (m2/g2630). اين خواص بسيار عالي باعث شده تا صفحات گرافن توانايي بهبود خواص مکانيکي، الکتريکي و حرارتي پليمرها را داشته باشند به همين دليل در دهه گذشته بررسي اين ماده شگفت انگيز و نانوکامپوزيتهاي آن، مورد توجه بسياري از محققين و دانشمندان قرار گرفته به طوري که از سال 2004 تا 2009 حدود 3000 مقاله ISIدر حوزه نانوکامپوزيتهاي بر پايه گرافن منتشر شده است[7].
روش کار و تحقيق
در اين پروژه در يک سيستم آزمايشگاهي نانوکامپوزيتهاي هيبريدي رزول/گرافن/ الياف کربن تهيه شد بدين صورت که در ابتدا گرافن به صورت محلولي در رزول پخش گرديد و پس از حذف حلال اضافه شده، الياف را به روش دستي به آن آغشته کرده و با استفاده از پرس داغ نمونه نهايي به دست آمد. در ادامه خواص مکانيکي نمونه با استفاده از آزمون خمش و همچنين رفتار حرارتي و مورفولوژي رزين با استفاده از آزمونهاي گرماسنجي پويشي تفاضلي (11DSC)، گرما وزن سنجي (12TGA) و ميکروسکوپ الکتروني پويشي (13SEM) مورد بررسي قرار گرفت.
در فصل دوم اين پاياننامه به موضوعات و مفاهيم علمي مرتبط با کار انجام شده و مروري بر کارهاي ديگران پرداخته شده است. در فصل سوم مواد و دستگاههاي مورد استفاده براي انجام کار و روشهاي آزمون ذکر شده است و در فصل چهارم نتايج حاصل از تحقيق مورد بحث و بررسي قرار ميگيرد و پيشنهادات لازم جهت ادامه کار در فصل پنجم ارائه شده است.
فصل دوم: مروري بر مطالعات انجام شده
مقدمه
از آنجا که نيمه دوم قرن بيستم را ميتوان نقطه آغازين جايگزيني مواد غير فلزي به جاي فلزات با هدف دستيابي به مواد و محصولات با خواص فوقالعاده و در عين حال مقرون به صرفه اقتصادي دانست و همانگونه که از تجربه موفق کشورهاي صنعتي و توسعه يافته بدست ميآيد، طي طريق وصول به اهداف توسعه صنعتي حداقل در بخش قابل توجهي از صنايع، منوط و مشروط به تمرکز و سرمايهگذاري در جهت دستيابي به تکنولوژي مواد غير فلزي به طور زير بنايي ميباشد. در اين ارتباط برخورداري پليمرها به طور عام و کامپوزيتها به طور خاص از جايگاه ويژه و رو به توسعه در صنعت و جايگزيني آنها به جاي مواد فلزي امري بديهي و بي نياز از استدلال ميباشد. ارائه محصولات کامپوزيتي با خواص خارقالعاده و استحکام و دوام غير قابل قياس با اکثر فلزات که امروزه به صورت جريان مستمر همواره حيرت متخصصين و اولياي صنعت را در جهان برميانگيزد را ميبايستي تا حد زيادي مديون ابداع و ساخت انواع تقويت کنندههاي با استحکام بالا دانست[8].
کامپوزيت
کامپوزيت مادهاي چند جزئي است که بخش پيوسته و اصلي آن ماتريس نام دارد. جزء اصلي ماتريس رزين است و با افزودن مواد به رزين و يا ماتريس بخشي از خواص اجزاء که مورد نياز است، اصلاح ميگردد.
با توجه به تعريف ياد شده، کامپوزيتها در اصل از زمانهاي قديم مورد توجه بشر بوده است. از نمونههاي قديمي کاربرد اين نوع مواد ميتوان به کاهگل و يا موميايي اشاره نمود. تاريخچه کامپوزيتها را ميتوان بصورت زير خلاصه نمود.
سازههاي کاهگلي (1500سال قبل از ميلاد)
کمان چند لايهاي، ساخته شده از تاندون حيوانات، چوب و ابريشم (1000سال قبل از ميلاد)
آغشته کردن سطوح پارچهاي هواپيماها با لاک محلول رزيني، 1910 ميلادي
فروش الياف شيشه توسط شرکت Owens Corning، 1938 ميلادي
ساخت پلاستيکهاي تقويت شده با الياف شيشه در پايگاه هوايي Wright Patterson، 1942 ميلادي
ساخت الياف کربن توسط شرکت Union Carbide، 1959 ميلادي
ثبت اختراع الياف کربن بر پايه PAN توسط Shido ، ژاپن، 1961 ميلادي
ساخت الياف پيوسته سراميک و بور، 1965 ميلادي
ساخت الياف کولار، 1971 ميلادي
ساخت الياف پلي اتيلن با جرم ملکولي فوق سنگين، 1985 ميلادي
استفاده مجدد از الياف طبيعي، 1990 ميلادي
کامپوزيتها خواص مکانيکي خوبي داشته و از انعطاف پذيري مناسبي در طراحي برخوردارند و روشهاي ساخت آنها نسبتا آسان است. آنها موادي، سبک، مقاوم در برابر خوردگي و ضربه، داراي مقاومت خستگي عالي، مستحکم و با دواماند و به روشهاي مختلفي قابل تبديل به يک محصول يا يک نمونه ميباشند[5].
يک کامپوزيت شامل يک يا چند فاز غير پيوسته در يک فاز پيوسته است. فاز غير پيوسته معمولا سختتر و قويتر از فاز پيوسته است لذا به آن فاز تقويتکننده گفته ميشود. عمدتاً در يک کامپوزيت سه ناحيه متمايز شامل فاز پيوسته، فاز غير پيوسته و فصل مشترک (Interface) اين دو فاز وجود دارد که تعيين کننده خواص و رفتار کامپوزيت ميباشد[5]. عموماً کامپوزيتها را بر حسب نوع فاز غير پيوسته به سه دسته زير طبقهبندي ميشوند.
کامپوزيتهاي ذرهاي: از ترکيب يک يا چند نوع ذره مشخص به عنوان فاز تقويت کننده، که اين ذرات ميتوانند پولکي شکل، صفحهاي و حتي ميکروکرههاي تو خالي باشد و يک فاز پيوسته (ماتريس) تشکيل ميشود.
کامپوزيتهاي ليفي: از ترکيب الياف کوتاه يا بلند، به عنوان تقويت کننده با فاز ماتريس تشکيل ميشود.
ساختارهاي ساندويچي14: اين نوع کامپوزيت از دو ورقه نازک و محکم که به دو طرف يک مغزي سبک و ضخيم به عنوان هسته چسبيدهاند، تشکيل شده است.
کاربردهاي کامپوزيتها
کامپوزيتها به دليل ويژگيهاي خاص خود از قبيل استحکام، سبکي، مقاومت خوردگي، عايق گرما و الکتريسيته، سهولت و انعطاف در طراحي و شکلدهي، در صنايع مختلفي کاربرد دارند. اهم اين صنايع عبارتند از:
حمل و نقل (خودرو و ريلي)
ساختمان
هوا- فضا
دريايي
شيميايي
برق و الکترونيک
پزشکي
تفريحي- ورزشي
نظامي
در مورد کاربرد کامپوزيتها در صنايع مختلف، آمار متفاوتي وجود دارد. اما نکته مشترک همه اين گزارشات اين است که بيشترين حجم کامپوزيتها در صنايع حمل و نقل و ساختمان مصرف ميشود[5].
ضرورت سبک سازي کامپوزيتها
مهمترين دليل رشد روز افزون مصرف کامپوزيتها در صنايع مختلف، سبک بودن آنها و نسبت بالاي استحکام به وزن آنها است. بطور مثال استفاده از مواد کامپوزيتي موجب کاهش 35 درصدي در وزن خودروها شده است که اين موضوع ميتواند باعث صرفهجويي قابل توجهي در مصرف سوخت شود. البته بايد توجه داشت که در کاربردهاي ديگر مانند صنايع دريايي يا صنايع هوا- فضا، نياز به تقويت اين مزيت کامپوزيتها است.
با توجه به توضيحات بالا به نظر ميرسد سبک سازي کامپوزيتهاي پليمري يکي از نيازهاي روز افزون صنايع مختلف باشد، به ويژه اين موضوع در صنايع هوا- فضا و نيز زير درياييها مورد اهميت است.
روشهاي سبک سازي کامپوزيتها
بطور کلي سه روش براي سبک کردن يک سازه پليمري وجود دارد:
استفاده از مواد سبکتر در ساخت سازه
تغيير در ساختار سازه
استفاده هم زمان از دو روش بالا
رزينهاي مورد استفاده در کامپوزيتها
هر ترکيب کامپوزيتي از دو جز اصلي ماتريس و فاز غير پيوسته يا تقويت کننده تشکيل شده است. همچنين طبقه بندي بر اساس شکل و نوع تقويت کننده نيز وجود دارد اما کامپوزيتها را ميتوان بر اساس ماتريس آنها هم به صورت کامپوزيتهاي پليمري، کامپوزيتهاي سراميکي و کامپوزيتهاي فلزي طبقه بندي نمود. مهمترين وظايف ماتريس در کامپوزيت عبارت است از:
حفظ يکپارچگي کامپوزيت
انتقال تنش به فاز تقويت کننده
محافظت از فاز تقويت کننده در مقابل عوامل محيطي (نظير رطوبت)
حفاظت سطح فاز تقويت کننده از سايش
با توجه به اين که در اين تحقيق کامپوزيتهاي پليمري مورد بررسي قرار گرفته است، در ادامه فقط در مورد اين کامپوزيتها بحث ميشود. در بين کامپوزيتهاي پليمري، کامپوزيتهاي ساخته شده با سه نوع رزين اپوکسي، فنوليک و پلي استر غير اشباع بيشترين کاربرد را دارند[5].
رزينهاي فنوليک
واکنش فنول و فرمالدهيد در حضور کاتاليزور اسيدي يا بازي صورت ميگيرد؛ با توجه به نسبت مولي فنول و فرمالدهيد و نوع کاتاليزور مصرفي، رزينهاي فنوليک به دو دسته رزول15 و نووالاک16 تقسيم ميشوند. اگر نسبت مولي فنول به فرمالدهيد کمتر از يک و کاتاليزور مصرفي بازي باشد، رزين حاصل را رزول گويند. اما اگر نسبت مولي فنول به فرمالدهيد بيشتر از يک و کاتاليزور مصرفي اسيدي باشد، رزين حاصل را نووالاک گويند. اين دو نوع رزين فنوليک داراي خواص و کاربردهاي مختلفي ميباشند. رزولها ذاتا گرماسخت بوده، براي پيشرفت واکنش و شبکهاي شدن نيازي به عامل پخت ندارند، در حالي که نووالاکها ذاتا گرمانرم ميباشند و لازم است که به آنها عامل پخت اضافه گردد که معمولاً بيشتر هگزا متيلن تترا آمين يا يک رزول اضافه ميکنند و به همين جهت رزينهاي نووالاک را رزينهاي دو مرحلهاي گويند.
نوع کاتاليزور و نسبت مولي مواد اوليهاي که در ساخت رزين فنوليک به کار برده ميشود به مقدار زيادي در وزن مولکولي آن تأثير گذاشته و در نتيجه در خصوصيات فيزيکي رزين تأثير بسزايي دارد. رزينهاي فنوليک وقتي در حالت غيرشبکهاي باشند، وزن ملکولي نسبتاً کمي دارند. فنول سه عاملي و فرمالدهيد دو عاملي ميباشد. وزن مولکولي رزولها معمولا از نوع نووالاکها کمتر است. رزولها عمدتاً به حالت مايع وجود داشته و مورد استفاده قرار ميگيرند، در حالي که نووالاکها معمولا به شکل جامد مصرف ميشوند[5].
پخت رزينهاي فنوليک
رزينهاي فنوليک محصولاتي قابل حل و ذوب با وزن مولکولي پايين هستند به عبارتي اين رزينها با وزن مولکولي پايين ساخته شده و در همين حالت به بازار عرضه ميگردند. واکنشهاي اتصالات عرضي متعاقبا انجام شده و وزن مولکولي رزين افزايش مييابد تا ساختمان شبکه مانندي را بدست آورند. واکنش يک رزين گرماسخت شامل سه مرحله Aو Bو Cاست.
مرحله Aاولين مرحله در واکنش يک رزين گرماسخت است که رزين هنوز در مايعات معيني انحلالپذير و ذوب شدني است و وزن مولکولي پاييني دارد. در اين مرحله رزين ممکن است به حالت مايع، جامد يا نيمه جامد باشد که رزينهاي گرماسخت ارائه شده به بازار در اين مرحله هستند.
مرحله B، يک مرحله مياني در واکنش رزينهاي گرماسخت است که در اين مرحله رزين در اثر گرما، نرم و در تماس با مايعات معيني متورم ميگردد، اما به طور کلي ذوب يا حل نميگردد به عبارتي رزينهاي گرماسخت هنگام سخت شدن از يک حالت کشسان ميگذرند که به آن مرحله Bگويند، مدت زمان گذر از يک حالت مايع به يک حالت لاستيکي در يک دماي مشخص را زمان Bنامند. رزينها در ترکيبات قالبگيري گرماسخت و همچنين در پيش آغشتهها17 معمولا در اين مرحله هستند و در فرايند قالبگيري به مرحله Cتبديل ميشوند.
مرحله C مرحله نهايي در واکنش رزينهاي گرماسخت است که در اين مرحله رزين به طور کامل شبکهاي شده و غير قابل حل و ذوب ميگردد.
سه مرحله گفته شده در مورد رزولها و نووالاکها وجود دارد. اگر رزين از ترکيبات رزول تهيه شده باشد رزين حاصل از مرحله Bرا رزيتول18 و رزين مرحله Cرا رزيت19 گويند[9].
به طور کلي همه رزينهاي فنوليک تا قبل از پخت، جرم مولکولي تقريبي 150 تا 1500 دارند. سيستمهايي که داراي فنول استخلاف نشده باشند داراي چگالي نهايي شبکه 300-150 واحد جرم اتمي در هر شبکهاند به عبارت ديگر 25 تا 75 درصد واکنشهاي اتصالي حلقه در طي مرحله پخت انجام ميشود. شبکهاي شدن معمولا با حرارت و فشار صورت ميگيرد. پخت اين رزينها به دو نوع پخت حرارتي و اسيدي تقسيمبندي ميشود. پخت حرارتي رايجترين روش پخت اين رزينها است که معمولا در محدوده دمايي ?C180-130 انجام ميگيرد. پخت در اين رزينها همانند ديگر رزينهاي گرماسخت گرمازاست و از آنجا که واکنشهاي پخت از نوع تراکمي است همراه با آزاد شدن ترکيبات با وزن مولکولي پايين است که به صورت گاز از سيستم خارج ميشوند[10]. در اين تحقيق نيز از پخت حرارتي براي تهيه نانوکامپوزيت استفاده شده است و چون رزين مورد استفاده از نوع رزول بوده است که در ادامه، پخت و خواص رزين رزول بررسي اجمالي ميگردد.
پخت حرارتي رزولها
در رزينهاي رزول، گروههاي عاملي (گروههاي متيلول) به مقدار کافي وجود دارد تا به صورت مستقيم پخت گردند. پيشرفت واکنش پخت رزين به صورت يک واکنش پيوسته است. وقتي که پخت رزول آغاز ميشود افزايش جرم مولکولي وزني رخ ميدهد و تا زمان رسيدن به حالت ژل (ماده واسطه مرحله B) ادامه مييابد که ديگر در محيط قبلي (آب يا الکل) محلول نيست و هنگامي که حلال بر اثر حرارت دادن تبخير ميشود يک ساختار شبکهاي سخت را ايجاد ميکند. پخت کامل رزول منجر به مادهاي با مدول بالا، دانسيته اتصالات عرضي زياد و دماي انتقال شيشهاي20(Tg) بالا (حدود ?C150) ميشود که مقاومت حرارتي خوبي از خود نشان ميدهد. بزرگترين بخش بازار رزينهاي رزول، چسبهاي چوب است که در واقع بيش از 60% کل حجم رزينهاي فنوليک مصرفي (در آمريکاي شمالي) را به خود اختصاص داده است. بنابراين مطالعات زيادي بر روي پخت رزول به عنوان چسب صورت گرفته است. اين رزولها عموما سيستمهاي رزيني کاتاليز شده با NaOH، 9 <pH ، ويسکوزيته پايين، با مقدار فنول به فرمالدهيد واکنش نداده کم و نسبت مولي فنول به فرمالدهيد بزرگتر يا مساوي 2 هستند[11].
در بعضي از کاربردهاي رزول مانند فوم، رزينهاي ريختهگري و غيره که پخت سريع رزين در دماي محيط به کمک اسيد قوي انجام ميشود، واکنشها به سمت تشکيل رزين نووالاک پيش ميرود. گروههاي متيلول با موقعيت ارتو و پاراي هيدروژن فنوليک واکنش داده و توليد واحدهاي دي فنيل متان ميکنند.
همچنين واکنش پخت اين رزينها در 6-4=pH آهستهتر از موقعي است که 8 ?pH است و خيلي آهستهتر از موقعي است که pH در محدوده 3-1 قرار دارد. واکنش در محدوده 6-4= pHمشابه حالتي است که pH بازي بالاست، اما با اين تفاوت که محصولات فرعي بيشتري توليد ميکند. اين بدان دليل است که سرعت واکنش اصلي کم است و همچنين محصولات واسطه در اين گستره pHپايدار ميباشند. توليد محصول فرعي بنزوکوئينون در 6-4=pH به خوبي انجام ميشود و از هر دو ترکيب متيلول فنول و دي بنزيل اتر توليد ميگردد. همچنين واکنشي مشابه در موقعيت پارا انجام ميشود که يک محصول واسطه غير پايدار با نام کوئينون متايد21 توليد ميکند که خيلي سريع در جهت واکنشهاي بعدي پيش ميرود و قابليت پليمر شدن و واکنشهاي شيميايي ديگر را دارد.
در دماهاي بالاتر از ?C160 واکنشهاي به وجود آورنده اتصالات عرضي شامل واکنش کوئينون متايد ميگردد و احتمال اين که کوئينون متايد و ديگر ساختارهاي مربوط به آن که در اين حرارتها تشکيل ميشوند باعث به وجود آمدن رنگ تيره ترکيبات قالبگيري فنوليک گردند، بسيار بالا ميباشد. آزمايشات نشان دادهاند که رزينهاي فنول فرمالدهيدي که در دماهاي بسيار پايين سخت ميشوند، رنگ شفافي شبيه به آب دارند. اگر اين رزينها را تا حدود ?C180 حرارت دهند، رنگ خود را از دست داده و سياه ميشوند. به عبارتي گسترش رنگ زرد و قهوهاي رزين فنوليک به دليل کوئينون متايد ميباشد. هر چه دماي پخت بالاتر باشد، رنگ محصول تيرهتر خواهد بود و اين نشانه پخت کامل و حصول رزيني با خواص مناسب ميباشد[9,12].
در رزولها ترکيب ديگري نياز نيست تا عمل پخت را کامل کند زيرا نسبت فرمالدهيد به فنول بيشتر از يک ميباشد. در نتيجه همواره مقداري فرمالدهيد اضافي در رزولها وجود دارد که عامل ايجاد اتصالات عرضي ميشود.
pH و دما همچنين روي ريز ساختار محصول پخت شده اثر ميگذارد. به عنوان مثال تبديل ترکيب ارتو هيدروکسي بنزيل الکل به متيل اتر (ترکيب 2 در شکل 2-1 ) با راندمان بالايي در حضور کاتاليزور و دماي متوسط اتفاق ميافتد. با يک کاتاليزور اسيدي يا بازي و يا دماي ?C160 يا بيشتر، غالبا ساختمان متيل اتر به شاخه متيلن (ترکيب 3) شکسته ميشود که آزاد سازي يک فرمالدهيد يا آب و يا هردو را به دنبال دارد. در اين ترکيب، فرمالدهيد به هسته آروماتيک اضافه ميگردد و سرانجام باعث آزاد سازي يک مولکول آب ميشود. مکانيزم عمومي پذيرفته شده جهت تبديل دي بنزيل اتر به دي فنيل متان سبب ايجاد ترکيب مياني کوئينون متايد ميگردد که ميتواند به ساختمانهاي مختلفي تجزيه گردد[10].
ترکيب 3ترکيب 2ترکيب 1شکل ‏2-1 ترکيبات واسط در پخت رزين فنوليک[10]
يکي از ساختارهاي احتمالي رزين رزول پخت شده در شکل ‏2-2 نشان داده شده است.
شکل ‏2-2 ساختار رزول پخت شده[11]
خواص رزينهاي فنوليک
رزين فنوليک يکي از رزينهايي است که به تنهايي خصوصيات فيزيکي مکانيکي خوبي ندارد (جدول ‏2-1) و براي اين که بتوان از آن به عنوان رزين مهندسي استفاده کرد بايد به آن موادي را افزود. رزين فنوليک را ميتوان به تنهايي قالبگيري کرد اگرچه به روشهاي متداول قالبگيري نميشود. همانطور که خصوصيات اين رزين به صورت تقويت نشده در جدول 2-1 نشان ميدهد، بسيار شکننده خواهد بود. نسبت به رزين اپوکسي استحکام کششي رزين تقويت نشده پايين و مدول خمشي آن نيز با در نظر گرفتن مقاومت ضربهاي کم است. بالا بودن ضريب انبساط حرارتي آن سبب ميشود، جمع شدگي زيادي پس از قالبگيري از خود نشان دهد، بنابراين به طور عملي نميتوان از رزين فنوليک به تنهايي استفاده کرد و افزايش موادي به آن به منظور بهبود خواص ضروري است. اهداف اصلي از اضافه کردن مواد افزودني به رزين فنوليک، بهبود خواص فيزيکي مکانيکي، بهبود و آسان کردن فرايند قالبگيري و کاهش قيمت آن است.
جدول ‏2-1: مشخصات رزين فنوليک تقويت نشده[10]
خواصمقدارمقاومت ضربه آيزود(ft.lb/in notch)
استحکام کششي(MPa)
استحکام خمشي (MPa)
استحکام فشاري (MPa)
ضريب انبساط حرارتي ( 10-6 in/in?C)3/0-1/0
35-21
265-210
106- 70
75 – 65
مزاياي رزينهاي فنوليک
پايداري حرارتي بالا
خواص عايق الکتريسيته
خواص مکانيکي مطلوب در حالت تقويت شده



قیمت: تومان


پاسخ دهید