پایان نامه تهیه نانوکامپوزیتهای هیبریدی بر پایه رزول/گرافن/الیاف کربن و بررسی خواص مکانیکی و حرارتی آنها |
 |
پژوهشگاه پلیمرو پتروشیمی ایران
پژوهشکده فرآیند
پایاننامه کارشناسی ارشد رشته مهندسی صنایع پلیمر
تهیه نانوکامپوزیتهای هیبریدی بر پایه رزول/گرافن/الیاف کربن و بررسی خواص مکانیکی و حرارتی آنها
اساتید راهنما
دکتر مسعود اسفنده
دکتر امیر مسعود رضادوست
زمستان 1393
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 مطالب
چکیده .…………………………………………………………………………………………………………….1
1- فصل اول…………………………………………………………………………………………………………………… 1
1-1- مقدمه……………………………………………………………………………………………………………….. 2
1-2- هدف……………………………………………………………………………………………………………….. 3
1-3- پیشینه تحقیق…………………………………………………………………………………………………………. 3
1-3-1- رزین های فنولیک……………………………………………………………………………………………. 3
1-3-2- نانوکامپوزیت های گرافن…………………………………………………………………………………….. 4
1-4- روش کار و تحقیق………………………………………………………………………………………………….. 5
2- فصل دوم: مروری بر مطالعات انجام شده…………………………………………………………………………….. 6
2-1- مقدمه……………………………………………………………………………………………………………….. 6
2-2- کامپوزیت…………………………………………………………………………………………………………… 7
2-2-1- کاربردهای کامپوزیت ها……………………………………………………………………………………… 8
2-2-2- ضرورت سبک سازی کامپوزیت ها………………………………………………………………………….. 9
2-2-3- روش های سبک سازی کامپوزیت ها………………………………………………………………………… 9
2-2-4- رزین های مورد استفاده در کامپوزیت ها…………………………………………………………………….. 9
2-3- رزین های فنولیک………………………………………………………………………………………………… 10
2-3-1- پخت رزین های فنولیک……………………………………………………………………………………. 10
2-3-2- پخت حرارتی رزول ها……………………………………………………………………………………… 11
2-3-3- خواص رزین های فنولیک…………………………………………………………………………………. 14
2-3-4- مزایای رزین های فنولیک………………………………………………………………………………….. 15
2-3-5- معایب رزین های فنولیک………………………………………………………………………………….. 15
2-3-6- کاربردهای رزین فنولیک…………………………………………………………………………………… 16
2-4- الیاف………………………………………………………………………………………………………………. 16
2-4-1- الیاف کربن…………………………………………………………………………………………………. 17
2-5- نانوکامپوزیت ها…………………………………………………………………………………………………… 18
2-5-1- تعریف نانوکامپوزیت ها…………………………………………………………………………………….. 19
2-5-2- کاربرد نانوکامپوزیت ها…………………………………………………………………………………….. 19
2-6- گرافن……………………………………………………………………………………………………………… 20
2-6-1- روش های تولید نانوکامپوزیت های گرافن…………………………………………………………………. 22
2-6-1-أ- اختلاط محلولی………………………………………………………………………………………. 22
2-6-1-ب- اختلاط مذاب………………………………………………………………………………………. 23
2-6-1-ت- پلیمریزاسیون درجا………………………………………………………………………………….. 24
2-7- خواص مختلف نانوکامپوزیت های گرافن………………………………………………………………………… 25
2-7-1- خواص مکانیکی نانوکامپوزیت های گرافن…………………………………………………………………. 25
2-7-1-أ- خواص مکانیکی کامپوزیت های کربن/کربن…………………………………………………………. 34
2-7-2- هدایت الکتریکی نانوکامپوزیت های گرافن………………………………………………………………… 36
2-7-3- خواص حرارتی نانوکامپوزیت های گرافن………………………………………………………………….. 37
2-7-3-أ- هدایت حرارتی نانوکامپوزیت های گرافن…………………………………………………………….. 37
2-7-3-ب- پایداری حرارتی نانوکامپوزیت های گرافن…………………………………………………………. 39
2-7-3-ت- اثر گرافن بر روی آنتالپی و دمای شروع پخت و دمای انتقال شیشه ای نانوکامپوزیت ها…………….. 45
2-7-4- مدل سازی خواص مکانیکی نانوکامپوزیت های گرافن…………………………………………………….. 50
2-8- نتیجه گیری………………………………………………………………………………………………………… 50
3- فصل سوم: مواد و روش های آزمون……………………………………………………………………………….. 51
3-1- مقدمه……………………………………………………………………………………………………………… 51
3-2- مواد مصرفی………………………………………………………………………………………………………. 51
3-2-1- رزین فنولیک………………………………………………………………………………………………. 52
3-2-2- الیاف کربن…………………………………………………………………………………………………. 52
3-2-3- گرافن………………………………………………………………………………………………………. 53
3-3- تجهیزات و دستگاه های مورد استفاده……………………………………………………………………………… 54
3-4- روش تهیه نمونه ها………………………………………………………………………………………………… 54
3-4-1- تعیین درصد جامد رزول……………………………………………………………………………………. 55
3-4-2- تعیین زمان رسیدن به B-stage…………………………………………………………………………….. 55
3-4-3- پخش نانو ذرات گرافن در حلال و رزین…………………………………………………………………… 56
3-4-4- نحوه تهیه نمونه نهایی و ساخت نانوکامپوزیت هیبریدی رزول بر پایه الیاف کربن و گرافن………………….. 56
3-4-5- نحوه تهیه نمونه های کربنیزه شده نانوکامپوزیت رزول بر پایه الیاف کربن و گرافن………………………….. 56
3-5- آزمون های انجام شده…………………………………………………………………………………………….. 58
3-5-1- بررسی مورفولوژی نانوکامپوزیت به کمک میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)………………………… 58
3-5-2- بررسی ساختار شیمیایی رزین و نانوکامپوزیت با استفاده ازطیف سنجی زیر قرمز به روش FTIR……………. 58
3-5-3- بررسی پایداری حرارتی نانوکامپوزیت رزین فنولیک/گرافن با استفاده از آزمون گرما وزن سنجی (TGA )… 59
3-5-4- بررسی پخت نانوکامپوزیت رزین فنولیک/گرافن با استفاده از آزمون گرماسنجی روبشی تفاضلی (DSC)….. 60
3-5-5- بررسی نحوه پخش نانو ذرات با استفاده از آزمون طیف سنجی تفرق پرتو ایکس (XRD)…………………… 60
3-5-6- بررسی مورفولوژی نانوکامپوزیت با استفاده از آزمون میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM)……………… 61
3-5-7- بررسی خواص خمشی نانوکامپوزیت رزین فنولیک/گرافن/ الیاف کربن……………………………………. 62
3-5-8- بررسی خواص استحکام برشی نانوکامپوزیت رزین فنولیک/گرافن/ الیاف کربن……………………………. 62
4- فصل چهارم: نتایج……………………………………………………………………………………………………….. 65
4-3- مقدمه……………………………………………………………………………………………………………… 65
4-4- تعیین مشخصات مواد مصرفی……………………………………………………………………………………… 65
4-4-1- تعیین درصد مواد جامد و فرار رزول……………………………………………………………………….. 65
4-4-2- تعیین گرانروی رزین………………………………………………………………………………………… 66
4-4-3- بررسی ساختار شیمیایی رزین رزول IL800 با استفاده از FTIR…………………………………………….. 66
4-4-4- بررسی ساختار شیمیایی صفحات گرافن…………………………………………………………………….. 67
4-4-5- بررسی شکل و اندازه صفحات گرافن با استفاده از SEM…………………………………………………… 68
4-4-6- بررسی ریز ساختار صفحات گرافن و نانوکامپوزیت های آن………………………………………………… 70
4-4-6-أ- بررسی ریز ساختار صفحات گرافن و نانوکامپوزیت های آن با استفاده از WAXS…………………….. 70
4-4-6-ب- بررسی ساختار گرافن با استفاده از TEM…………………………………………………………… 78
4-4-6-ت- بررسی ریز ساختار نانوکامپوزیت با استفاده TEM…………………………………………………… 72
4-5- نتایج مربوط به آزمون های بررسی خواص مکانیکی نانوکامپوزیت های هیبریدی رزول/ گرافن/ الیاف کربن……… 73
4-5-1- بررسی خواص خمشی نانوکامپوزیت های تهیه شده………………………………………………………… 73
4-5-2- بررسی خواص برشی نانوکامپوزیت های تهیه شده………………………………………………………….. 80
4-5-3- استحکام برشی نانوکامپوزیت های کربن/کربن……………………………………………………………… 86
4-6- بررسی ریزساختار نمونه ها به کمک SEM………………………………………………………………………… 88
4-6-1- بررسی ریزساختار رزین فنولیک و نمونه های حاوی گرافن…………………………………………………. 88
4-6-2- بررسی ریزساختار نانوکامپوزیت هیبریدی رزین فنولیک/الیاف کربن/ نانوگرافن توسط (SEM)…………….. 93
4-6-3- بررسی ریزساختار نانوکامپوزیت های کربن/کربن رزین فنولیک/الیاف کربن/ نانوگرافن توسط (SEM)…….. 98
4-6-4- بررسی پخت رزول و نانوکامپوزیت های حاصل از آن……………………………………………………. 102
4-6-4-أ- بررسی پخت به کمک FTIR……………………………………………………………………….. 102
4-6-4-ب- بررسی پخت رزین فنولیک و نانوکامپوزیت حاوی گرافن به کمک DSC………………………… 105
4-6-5- بررسی پایداری حرارتی رزین فنولیک و اثر کسر وزنی گرافن بر روی آن با استفاده از TGA…………….. 107
5- فصل پنجم: خلاصه و پیشنهادات…………………………………………………………………………………….. 110
5-1- نتیجه گیری………………………………………………………………………………………………………. 110
5-2- پیشنهادات جهت ادامه کار………………………………………………………………………………………. 112
مراجع……………………………………………………………………………………………………………………………113
فهرست شکل‌ها
شکل 2‑1 ترکیبات واسط در پخت رزین فنولیک… 13
شکل 2‑2 ساختار رزول پخت شده 14
شکل 2‑3 ساختار شماتیک گرافن. 21
شکل2‑6 استحکام کششی نانوکامپوزیت های اپوکسی با درصد وزنی پرکننده 1/0%. 25
شکل 2‑8 نمودار چقرمگی شکست و انرژی شکست نانوکامپوزیت های اپوکسی با درصد وزنی پرکننده 1/0%. 26
شکل 2‑9 نمودار نرخ رشد ترک برحسب دامنه تنش… 27
شکل 2‑10 مدول کششی و استحکام کششی نهایی نانوکامپوزیت اپوکسی و صفحات گرافن اکساید. 28
شکل 2‑11 مدول خمشی و استحکام خمشی نهایی نانوکامپوزیت اپوکسی/ گرافن اکساید. 28
شکل 2‑12 چقرمگی شکست و انرژی شکست نانوکامپوزیت اپوکسی/گرافن اکساید. 29
شکل 2‑13 آزمون خستگی رزین اپوکسی خالص و رزین حاوی5/0% وزنی گرافن اکساید. 29
شکل 2‑15 آزمون کششی کامپوزیت رزین فنولیک با ذرات گرافیت اکساید در اندازه های مختلف… 31
شکل 2‑16 چقرمگی شکست رزین اپوکسی اصلاح شده با گرافن اکساید و گرافیت.. 34
شکل 2‑17مقاومت الکتریکی نانوکامپوزیت اپوکسی با درصدهای مختلف گرافن. 37
شکل 2‑18 فاکتور افزایش هدایت حرارتی بر حسب مقادیر مختلف پرکننده برای کامپوزیت های اپوکسی.. 38
شکل 2‑20 آزمون گرما وزن سنجی برای گرافن اکساید احیا شده در دماهای مختلف… 40
شکل 2‑22 آزمون گرما وزن سنجی نانوکامپوزیت با درصدهای مختلف از صفحات گرافن اکساید. 41
شکل 2‑25 نمودار گرما وزن سنجی کامپوزیت رزین فنولیک با ذرات گرافیت اکساید در اندازه های مختلف… 44
شکل 3‑1 تصویری از دستگاه میکروسکوپ الکترونی روبشی.. 58
شکل 3‑2 تصویری ازدستگاه FTIR مدل Equinox 55. 59
شکل 3‑3 تصویری از دستگاه DSC مدل Star SW 10.00. 60
شکل 3‑4 تصویری از دستگاه طیف سنج تفرق پرتو ایکس… 61
شکل 3‑5 تصویری از میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) 61
شکل 3‑6 انواع شکست ها در آزمون خمش با تکیه گاه کوتاه 63
شکل 4‑1 طیف FTIR رزول خالص پخت نشده 67
شکل 4‑2 طیف FTIR صفحات گرافن. 68
شکل 4‑3 تصویر SEM از صفحات گرافن با زیر لایه شیشه ای با بزرگ نمایی x10000. 69
شکل4‑4 تصویر SEM از صفحات گرافن با زیر لایه مشبک در بزرگ نمایی الف (x20000) و ب (x70000) 69
شکل 4‑6 طیف WAXS صفحات گرافن و نانوکامپوزیت با درصدهای وزنی مختلف از آن. 71
شکل 4‑7 تصویر TEM از صفحات گرافن. 72
شکل 4‑8 تصویر TEM نانوکامپوزیت رزین فنولیک حاوی 1% وزنی گرافن. 73
شکل 4‑9 نمودار تنش-کرنش نانوکامپوزیت رزول/الیاف کربن با درصدهای وزنی مختلف از گرافن. 74
شکل 4‑10 مدول خمشی نمونه mm5 نانوکامپوزیت رزول/ الیاف کربن با درصدهای مختلف از گرافن. 75
شکل 4‑11 استحکام خمشی نمونه های mm5 نانوکامپوزیت رزول/ الیاف کربن با درصدهای مختلف از گرافن. 76
شکل 4‑12 کرنش در شکست نمونه های mm5 نانوکامپوزیت رزول/ الیاف کربن با درصدهای مختلف از گرافن. 77
شکل 4‑13 چقرمگی نمونه های mm5 نانوکامپوزیت رزول/ الیاف کربن با درصدهای مختلف از گرافن. 78
شکل 4‑14 مدول خمشی نمونه های mm3 نانوکامپوزیت رزول/ الیاف کربن با درصدهای مختلف از گرافن. 79
شکل 4‑15 استحکام خمشی نمونه های mm3 نانوکامپوزیت رزول/ الیاف کربن با درصدهای مختلف از گرافن. 80
شکل 4‑16 شکست برگشت ناپذیر. 81
شکل 4‑17 شکست برشی بین لایه ای در کامپوزیتهای رزول/گرافن/ الیاف کربن. 81
شکل 4‑18 جدا شدن لایه های به هم چسبیده الیاف کربن در کامپوزیتهای رزول/گرافن/ الیاف کربن. 81
شکل 4‑20 نمودار ستونی نیروی پیش برنده شکست نمونه های با درصدهای مختلف از گرافن. 83
شکل4‑21 استحکام برشی نانوکامپوزیت های با ضخامت mm5 حاوی درصدهای مختلف گرافن. 85
شکل 4‑22 استحکام برشی نانوکامپوزیت های با ضخامت mm3 حاوی درصدهای مختلف گرافن. 86
شکل 4‑23 استحکام برشی نانوکامپوزیت های کربن/کربن با ضخامت mm5 حاوی درصدهای مختلف گرافن. 87
شکل 4‑24 استحکام برشی نانوکامپوزیت های کربن/کربن با ضخامت mm3 حاوی درصدهای مختلف گرافن. 88
شکل4‑25- تصویر SEM از سطح شکست رزین فنولیک خالص بدون گرافن با بزرگ نمایی x500. 89
شکل 4‑35 تصویر SEM از کامپوزیت کربن/کربن بدون نانو با بزرگ نمایی x1000. 99
شکل 4‑36 تصویر SEM از کامپوزیت کربن/کربن با 5/0% وزنی گرافن با بزرگ نمایی x1000. 99
شکل 4‑37 تصویر SEM از کامپوزیت کربن/کربن با 1% وزنی گرافن با بزرگنمایی x2000. 100
شکل 4‑38 تصویر SEM از کامپوزیت کربن/کربن با 2% وزنی گرافن با بزرگنمایی x1000. 100
شکل 4‑39 تصویر SEM ازکامپوزیت کربن/کربن با 3% وزنی گرافن با بزرگنمایی x1000. 101
شکل 4‑40 تصویر رزین فنولیک خالص کربنیزه شده 101
شکل 4‑41 تصویر رزین فنولیک کربنیزه شده حاوی 1% وزنی گرافن. 102
شکل 4‑42 طیف FTIR رزین فنولیک خالص پخت شده و پخت نشده 103
شکل 4‑43 شماتیک واکنش بین صفحات گرافن اکساید و رزین فنولیک… 104
شکل 4‑44 طیف FTIR رزین فنولیک پخت شده خالص و دارای 1% وزنی گرافن. 104
شکل 4‑45 مقایسه پیک FTIR ناحیه استری رزین فنولیک پخت شده خالص و دارای 1% وزنی گرافن. 105
شکل 4‑46 نمودار DSC رزول خالص و رزول دارای گرافن با سرعت حرارت دهی ºC.min-17. 106
شکل 4‑47 نمودار TGA رزین فنولیک خالص و رزین فنولیک حاوی درصدهای مختلف گرافن. 108
شکل 4‑48 نمودار DTG رزین فنولیک خالص و رزین فنولیک حاوی درصدهای مختلف گرافن. 108
فهرست جداول
جدول 2‑1 مشخصات رزین فنولیک تقویت نشده 15
جدول 2‑2 فرمولاسیون نمونه های تهیه شده 31
جدول 2‑3 مدول یانگ و استحکام کششی نانوکامپوزیت فنولیک با درصدهای مختلف از گرافن اکساید. 32
جدول 2‑4 خواص رزین اپوکسی و نانوکامپوزیت حاصل از آن. 33
جدول 2‑5 خواص کششی نانوکامپوزیت های اپوکسی.. 34
جدول 3‑1 مواد اولیه مورد استفاده در پروژه 51
جدول 3‑2 مشخصات رزین فنولیک رزول. 52
جدول 3‑3 مشخصات عمومی الیاف کربن. 53
جدول 3‑4 مشخصات نانو ذره گرافن. 53
جدول 3‑5 تجهیزات و دستگاه ها 54
جدول 3‑6 کد گذاری و ترکیب درصد نمونه های گرافن/رزول/الیاف کربن. 57
جدول 3‑7 کد گذاری و ترکیب درصد نمونه های کربنیزه شده گرافن/رزول/الیاف کربن. 57
جدول 4‑1 میزان گرانروی رزین فنولیک IL800 اندازه گیری شده توسط ویسکومتر چرخشی.. 66
جدول 4‑3 خواص حرارتی رزین فنولیک خالص و رزین فنولیک حاوی درصدهای مختلف گرافن. 109
برای دانلود متن کامل پایان نامه اینجا کلیک کنید.
فرم در حال بارگذاری ...
|
[سه شنبه 1399-01-12] [ 05:34:00 ب.ظ ]
|
