بررسی شکل‌شناسی، خواص مکانیکی و تخریب گرمایی نانوکامپوزیت‌های اپوکسی حاوی نانولوله‌های کربنی اصلاح‌شده

نوع مقاله : تالیفی

نویسندگان

1 پژوهشگر پسا دکتری، گروه مهندسی شیمی، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه اصفهان، صندوق پستی 81746-73441 ، اصفهان، ایران

2 گروه مهندسی شیمی، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه اصفهان، صندوق پستی 81746-73441 ، اصفهان، ایران

10.22063/basparesh.2025.35628.1727

چکیده

نانوکامپوزیت‌ها به‌دلیل ویژگی‌های منحصر به فرد در صنایع مختلف کاربردهای گسترده‌ای دارند. نانولوله‌های کربنی (CNTs) به‌عنوان تقویت‌کننده‌ برای پلیمرها، به‌ویژه رزین‌های اپوکسی، مورد توجه قرار گرفته‌اند. نانولوله‌های کربنی  با بهبود خواص مکانیکی، گرمایی، و مقاومت دربرابر شعله، عملکرد رزین‌های اپوکسی را ارتقا می‌دهند. همچنین، اصلاح سطح نانولوله‌های کربنی می‌تواند به بهبود چسبندگی و پراکنش یکنواخت آن‌ها در ماتریس اپوکسی کمک می‌کند که به افزایش خواص مکانیکی و پایداری گرمایی کامپوزیت منجر شود. بااین‌حال، چالش‌هایی مانند کلوخه‌ای شدن نانولوله‌های کربنی  و آثار آن بر خواص مواد همچنان وجود دارد.  نتایج نشان داد، وجود سیلان در کامپوزیت اپوکسی با الیاف بازالت باعث بهبود ویژگی‌های گرمایی می‌شود و افزودن نانولوله‌های کربنی پایداری گرمایی را افزایش می‌دهد. همچنین تحلیل تخریب گرمایی نشان داد، نانولوله‌های کربنی مقاومت گرمایی را به مقادیر بیشتری منتقل کرده و از تخریب گرمایی سریع جلوگیری می‌کنند. استفاده هم‌زمان از گرافن و نانولوله‌های کربنی در رزین اپوکسی به افزایش پایداری گرمایی و بهبود چسبندگی کمک می‌کند. در این مقاله، اثر نانولوله‌های کربنی اصلاح‌شده بر شکل‌شناسی، خواص مکانیکی و پایداری  و تخریب گرمایی نانوکامپوزیت‌های اپوکسی بررسی و پیشرفت‌های اخیر در این زمینه مرور شده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Investigation of Morphology, Mechanical Properties, and Thermal Degradation Behavior of Epoxy Nanocomposites Containing Modified Carbon Nanotubes

نویسندگان [English]

  • Mohammad Hossein Karami 1
  • Omid Moeini Jazani 2
  • Alireza Bagheri 2
1 Department of Chemical Engineering, Faculty of Engineering, University of Isfahan, P.O. Box 81746.
2 Department of Chemical Engineering, Faculty of Engineering, University of Isfahan, P.O. Box 81746.
چکیده [English]

Nanocomposites have wide applications in various industries due to their unique properties. Carbon nanotubes (CNTs) have gained significant attention as reinforcements for polymers, particularly epoxy resins. Carbon nanotubes enhance the performance of epoxy resins by improving mechanical, thermal, and flame-retardant properties. Furthermore, surface modification of CNTs can enhance their adhesion and uniform dispersion within the epoxy matrix, which leads to improved mechanical properties and thermal stability of the composite. However, challenges such as the agglomeration of CNTs and its effect on material properties still exist. The results showed that inclusion of silane in the epoxy composite reinforced with basalt fibers significantly improves thermal properties, while the addition of CNTs further increases thermal stability. Thermal degradation analysis also showed that carbon nanotubes elevated the degradation temperature, prevented rapid thermal degradation. The simultaneous incorporation of graphene and CNTs into epoxy resin helps to increase thermal stability and improve interfacial bonding. In this article, the effect of modified carbon nanotubes on the morphology, mechanical properties, and thermal stability and degradation of epoxy nanocomposites is investigated and recent advances in this field are reviewed.

کلیدواژه‌ها [English]

  • epoxy resin
  • carbon nanotubes
  • morphology
  • mechanical properties
  • thermal degradation

مراجع

  1. Ahmadi Z., Epoxy in Nanotechnology: A Short Review, Prog. Org. Coat., 132, 445-448, 2019.
  2. Zabihi O., Khayyam H., Fox B.L., and Naebe M., Enhanced Thermal Stability and Lifetime of Epoxy Nanocomposites Using Covalently Functionalized Clay: Experimental and Modelling, New J. Chem., 39, 2269-2278, 2015.
  3. Dzuhri S., Uhana N.Y., and Khairulazfar M., Thermal Stability and Decomposition Study of Epoxy/Clay Nanocomposites, Sains Malays, 44, 441-448, 2015.
  4. Singh S., Srivastava V.K., and Prakash R.R., Characterisation of Multi-walled Carbon Nanotube Reinforced Epoxy Resin Composites, Mater. Sci. Technol., 29, 1130-1134, 2013.
  5. Chen H.O., Jacobs B., Wua W.G., Rudiger B., and Schadel B., Effect of Dispersion Method on Tribological Properties of Carbon Nanotube Reinforced Epoxy Resin Composites, Polym. Test., 26, 351-360, 2007.
  6. Ton-That M.-T., Ngo T.-D., Ding P., Fang G., Cole K.C., and Hoa S.V., Epoxy Nanocomposites: Analysis and Kinetics of Cure, Polym. Eng. Sci., 44, 1132-1141, 2004.
  7. Tezel G.B., Sarmah A., Desai S.A., Vashisth M., and Green J., Kinetics of Carbon Nanotube-Loaded Epoxy Curing: Rheometry, Differential Scanning Calorimetry, and Radio Frequency Heating, Carbon, 175, 1-10, 2021.
  8. Ngo T.D., That T., Hoa M.T., and Cole K.C., Curing Kinetics and Mechanical Properties of Epoxy Nanocomposites Based on Different Organoclays, Polym. Eng. Sci., 47, 649-661, 2007.
  9. Jin F.L., Li X., and Park S.J., Synthesis and Application of Epoxy Resins: A Review, J. Ind. Eng. Chem., 29, 1-11, 2015.
  10. Schlagenhau F.L., Kuo Y.Y., Bahk Y.K., Nüesch F., and Wang J., Decomposition and Particle Release of a Carbon Nanotube/Epoxy Nanocomposite at Elevated Temperatures, J. Nanoparticle Res., 17, 440, 2015.
  11. Zhou Y.X., Wu P.X., Cheng Z.Y., Ingram J., and Jeelani, S., Improvement in Electrical, Thermal and Mechanical Properties of Epoxy by Filling Carbon Nanotube, Express Polym. Lett., 2, 40-48, 2008.
  12. Kim J. A., Seong D. G., Kang T. J., and Youn J. R., Effects Of Surface Modification On Rheological and Mechanical Properties Of CNT/Epoxy Composites,Carbon N. Y., 44, 1898-1905 ,2006.
  13. Málek J., A Computer Program for Kinetic Analysis of Non-isothermal Thermo-analytical Data, Thermochim. Acta, 138, 337-346,1989.
  14. Málek J., The Kinetic Analysis of Non-isothermal Data, Thermochim. Acta, 200, 257-269, 1992.
  15. Reso D., Cascaval C.N., Mustata F., and Ciobanu C., Cure Kinetics, Epoxy Resins Studied by Nonisothermal DSC Data, Thermochim. Acta, 383, 119-127, 2002.
  16. Vyazovkin S., Burnham A.K., Favergeon L. et al., ICTAC Kinetics Committee Recommendations for Analysis of Multi-step Kinetics, Thermochim. Acta, 689,178597, 2020.
  17. MaP C., Kim J.K., and Tang B.Z., Effects of Silane Functionalization on the Properties of Carbon Nanotube/Epoxy Nanocomposites, Compos. Sci. Technol., 67, 2965-2972, 2007.
  18. Špitalský Z., Matějka L., Šlouf M. et al., Modification of Carbon Nanotubes and Its Effect on Properties of Carbon Nanotube/Epoxy Nanocomposites, Polym. Compos., 30, 1378-1387, 2009.
  19. Ventura I.A., Rahaman A., and Lubineau G., The Thermal Properties of a Carbon Nanotube-Enriched Epoxy: Thermal Conductivity, Curing, and Degradation Kinetics, J. Appl. Polym. Sci., 130, 2722–2733, 2013.
  20. Li C., Kang N.J., Labrandero S.D., Wan J., González C., and Wang D.Y., Synergistic Effect of Carbon Nanotube and Polyethersulfone on Flame Retardancy of Carbon Fiber Reinforced Epoxy Composites, Ind. Eng. Chem. Res., 53, 1040-1047, 2014.
  21. Xue Y., Shen M., Zeng S. et al., A Novel Strategy for Enhancing the Flame Resistance, Dynamic Mechanical and the Thermal Degradation Properties of Epoxy Nanocomposites, Mater. Res. Express, 6, 125003, 2019.
  22. Puglia D., Valentini L., and Kenny J.M., Analysis of the Cure Reaction of Carbon Nanotubes/Epoxy Resin Composites through Thermal Analysis and Raman Spectroscopy, J. Appl. Polym. Sci., 88, 452-458, 2003.
  23. Zheng X., Li D., Feng C., and Chen X., Thermal Properties and Non-isothermal Curing Kinetics Of Carbon Nanotubes/ionic Liquid/epoxy Resin Systems., Thermochim. Acta, 618, 18–25, 2015.
  24. Aradhana R., Mohanty S., and Nayak S.K., High Performance Epoxy Nanocomposite Adhesive: Effect of Nanofillers on Adhesive Strength, Curing and Degradation Kinetics, Int. J. Adhes. Adhes., 84, 238-249, 2018.
  25. Cividanes L.S., Simonetti E.A., Campos T.M., Bettoni T.S., Brunelli D.D., and Thim G.P., Anomalous Behavior of Thermal Stability of Amino-carbon Nanotube–Epoxy Nanocomposite,J. Compos. Mater.,49, 3067–3073, 2015.
  26. Wang Y. T., Wang C.S., Yin H.Y., Wang L.L., Xie H.F., and Cheng R.S., Carboxyl-Terminated Butadiene-Acrylonitrile-Toughened Epoxy/Carboxyl-Modified Carbon Nanotube Nanocomposites: Thermal and Mechanical Properties, Express Polym. Lett., 6, 719-728, 2012.
  27. Starink M.J., The Determination of Activation Energy from Linear Heating Rate Experiments: A Comparison of the Accuracy of Isoconversion Methods, Thermochim. Acta., 404, 163-176, 2003.
  28. Karami M.H., Kalaee M.R., Mazinani S. et al., Isoconversional Model Approach and Cure Kinetics of Epoxy/ NBR Nanocomposites, Proceeding of the 14th International Seminar on Polymer Science and Technology (ISPST 2020), Tarbiat Modares University, 9-10, 9-12 November, 2020.
  29. Karami M.H., and Kalaee M.R., Curing of Epoxy/UFNBRP Nano Composites Using Calorimetric Method, Proceeding of the 11th International Chemical Engineering Congress & Exhibition (IChEC 2020), Tehran University, 15-17, 15-17 April, 2020.
  30. Karami M.H., Kalaee M.R., and Mazinani S., Chemorheology of Nano Acrylonitrile Butadiene Rubber (n-NBR)/Epoxy Nanocomposites, Proceeding of the 1st International Conference on Rheology (ICOR 2019), Iran Polymer and Petrochemical Institute, 104-105, 17-18 December, 2019.
  31. Karami M.H. and Kalaee M.R., Modeling of Curing Kinetics of Epoxy Nanocomposites by Time Sweep Method, Proceeding of the National Conference on Advanced Technologies in Energy, Water and Environment, Sharif Energy Research Institute, 234-241, 3 March, 2019.
  32. Ibid 209-216.
  33. Karami M.H. and Kalaee M.R., A Review of the Applications of Cross-linked Elastomeric Nanoparticles, Iran. Rubber Mag. (Persian), 25, 37-56, 2020.
  34. Karami M.H. and Kalaee M.R., A Review of the Curing Kinetics of Epoxy Nanocomposites/Nanoclay, Iran Polym. Technol. Res. Dev. (Persian), 6, 29-38, 2021.
  35. Karami M.H. and Kalaee M.R., Review of Degradation Kinetics of Epoxy Nanocomposites in the Presence of Clay Nanoparticles, Polymerization (Persian), 11, 66-76, 2021.

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار