كليه حقوق مادي مترتب بر نتايج مطالعات،
ابتكارات و نوآوري‌هاي ناشي از تحقيق موضوع
اين پايان نامه (رساله) متعلق به پژوهشگاه
پليمر و پتروشيمي ايران مي‌باشد

فرازي از سخنان دكتر علي شريعتي :
اي جوان :
تو ميداني و همه ميدانند كه زندگي از تحميل لبخند بر لبان من ، از آوردن برق اميدي در نگاه من ، از برانگيختن موج شعفي در دل من عاجز است.
تو ميداني و همه ميدانند كه شكنجه ديدن به خاطر تو ، زنداني كشيدن به خاطر تو و رنج بردن به پاي تو تنها لذت بزرگ زندگي من است ، از شادي توست كه من در دل مي‌خندم ، از اميد رهايي توست كه برق اميد در چشمان خسته‌ام مي‌درخشد و از خوشبختي توست كه هواي پاك سعادت در ريه‌هايم احساس مي‌کنم.

**************

نمي‌توانم خوب حرف بزنم ،
نيروي شگفتي مرا در زير اين كلمات ساده ، جمله‌هاي ضعيف و افتاده پنهان كرده . مرا درياب ! درياب !
استاد دكتر علي شريعتي
پروردگارا :
به من توفيق تلاش در شكست ، صبر در نا اميدي ، رفتن بي همراه ، كار بي پاداش ، فداكاري در سكوت ، تنهايي در انبوه جمعيت و دوست داشتن بي آنكه دوست بداند روزي كن.

تقديم به بارگاه ملكوتي ثامن‌الحجج :
به پاكي تو وضو مي‌گيرم ، به صداقت آبي‌ات اقتدا مي‌کنم ، با ايمان به خلوص سبزت به سجده مي‌روم ، اين دل نذر ضريح چشم‌هايت يا رضا (ع) ،
در آستانه گنبد طلائي‌ات من فقط يك اشتياق نوراني‌ام.

به مهدي فاطمه (ع):
بيا كه چشماني غمناك و صبور هنوز به انتظار آمدنت نشسته‌اند ، بيا كه دستاني روزهاي پوچ بي تو بودن را به اميد لحظه حضورت هاشور مي‌زنند ، اي گل نرجس ! بيا تا چشمانم زيبايي‌ات را به قلم هديه دهند و در اين سو قلبي آمدنت را به شادماني بنشيند.
به اميد آن روز …

تقديم به
پدر بزرگوارم :
پيشكشي ناچيز به محضر پدر بزرگوار و عزيزم ، او كه به من آموخت دردهاي بزرگ از آن مردان بزرگ است، ليكن از آن به كوچكي ياد مي‌کنند و دردهاي كوچك از آن مردان كوچك و به من آموخت تا انتخاب كنم كه در زمره كدامين باشم .

**************

پدر عزيزم ،
گرچه‌ گوهري كه شايسته نثارت باشد در خود سراغ ندارم، اما آنچه بدان دست يافته‌ام را به تو تقديم مي‌کنم باشد كه اين اندك، قطره‌اي از درياي لطف و رحمتت را جبران كند.

تقديم به
مادر مهربانم :
كه بدون شنيدن صداي آرامش بخش ايشان گردآوري اين مجموعه ميسر نبود.
او كه فروغ نگاهش، گرمي كلامش و روشني رويش سرمايه جاوداني زندگي من است و وجود پر مهرش به رايم عزيزترين است . او كه وجودش برايم همه مهر است و مهر و ايثار من به پايش هيچ است و هيچ .

**************

مادر عزيزم ،
در برابر وجود نازنينت زانوي ادب بر زمين مي‌نهم و با دلي مالامال از عشق و محبت متواضعانه بر دستانت بوسه مي‌زنم .

تقديم به
خواهران و همسر عزيزم :
كه هميشه از محبت‌هايشان برخوردار بوده‌ام و صميمانه دوستشان دارم اميدوارم كه توانسته باشم هر چند لحظه‌اي شادي را بر لب‌ها و چشم‌هاي پر فروغشان بيفشانم .

**************

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

تقديم و تقدير :
كلمات بيانگر مكنونات قلبي‌ام نيست،
سكوت نمايانگر كامل احساسم نيست،
هنر نمايشگر واقعي عواطفم نيست،
در زمينه راه جواني به دوستان عزيزم پيشكش مي‌کنم..

و
تقديم به دوست عزيزتر از جانم که تنها خاطرش در خاطرم ماند..
مسعود عزيز
گرچه به ظاهر نيست اما يادش هميشه و همه حال همراهم بوده..
فهرست
عنوان صفحه
فصل اول : مقدمه1
1-1-کامپوزيت‌ها1
1-2-نانو فناوري2
1-3-نانو کامپوزيت‌ها3
1-3-1-تاريخچه تهيه و استفاده از نانو کامپوزيت‌ها3
1-3-2-معرفي نانو کامپوزيت‌ها3
1-4-هدف4
فصل دوم : مروري بر مطالعات انجام شده5
2-1-فاز پيوسته (زمينه/ماتريس)5
2-1-1-رزين يورتان-اکريلات5
2-1-2-رزينهاي پلي استر غير اشباع6
2-1-3-رزينهاي وينيل استر7

2-2-الياف8
2-2-1-ويژگي‌هاي الياف طبيعي9
2-2-2-روش‌هاي اصلاح الياف طبيعي10
2-3-نانو ذرات15
2-3-1-سيليكات‌هاي لايه‌اي15
2-3-2-ساختمان و خواص سيليکات‌‌هاي لايه‌اي آلي دوست17
2-4-انواع نانو کامپوزيت‌‌هاي خاک رس18
2-4-1-ميکرو کامپوزيت18
2-4-2-نانو کامپوزيت در هم رفته18
2-4-3-نانو کامپوزيت ورقه شده18
2-5-روش‏‌هاي تهيه نانوکامپوزيت‌‌هاي پليمري19
2-5-1-پليمريزاسيون نفوذي درجا19
2-5-2-درهم گرفتگي پليمر يا پيش پليمر از محلول ( محلولي)20
2-5-3-اختلاط مذاب20
2-6-روش‏‌هاي شناسايي نانوکامپوزيت‌‌هاي لايه‌اي20
2-6-1-پراش اشعه ايکس20
2-6-2-ميکروسکوپي الکتروني عبوري21
2-6-3-ساير تكنيك‌هاي شناسايي22
2-7-روش‌هاي شکل دهي کامپوزيت‌ها22
2-7-1-قالب‌گيري رزين تحت خلاً23
2-7-2-تجهيزات فرآيند قالب‌گيري رزين تحت خلاً و راه اندازي24
2-8-تحقيقات گزارش شده27
2-8-1-نانو کامپوزيت‌هاي حاوي نانو ذرات رس27
2-8-2-کامپوزيت‌هاي تقويت شده با الياف طبيعي30
2-8-3-نوآوري در پژوهش35
فصل سوم : بخش تجربي36
3-1-مواد و تجهيزات36
3-1-1-مواد36
3-1-2-تجهيزات41
3-2-روش آزمون42
3-2-1-پخش و باز نمودن نانو ذرات در ماتريس رزيني43
3-2-2-اصلاح سطح الياف44
3-3-مشخصه يابي پخش نانو‌ذرات و آماده‌سازي سطح الياف45
3-3-1-ويسکوزيته45
3-3-2-آزمون پراش اشعه ايکس45
3-3-3-ميکروسکوپ الکتروني روبشي / تجزيه پرتو ايکس با انرژي پاشنده45
3-3-4-ميکروسکوپ الکتروني عبوري45
3-3-5-آزمون‌هاي مشخصه يابي آماده سازي سطح الياف45
3-4-تهيه و توليد کامپوزيت و نانو کامپوزيت‌ها46
3-4-1-تهيه قالب چوبي46
3-4-2-تهيه قالب سيليکوني46
3-4-3-سيستم پخت رزين يورتان-اکريلات48
3-4-4-تهيه کامپوزيت‌هاي پر شده با نانو ذرات با استفاده از فرآيند ريخته‌گري48
3-4-5-توليد کامپوزيت‌هاي تقويت شده با الياف طبيعي توسط فرآيند قالب‌گيري رزين تحت خلاً49
3-5-آزمون‌هاي تعيين خواص نمونه‌‌هاي کامپوزيتي51
3-5-1-آزمون کشش51
3-5-2-آزمون خمش52
3-5-3-آزمون ضربه52
3-5-4-شکاف زن52
3-5-5-سختي سنجي بارکول52
3-5-6-سرعت سوختن52
3-5-7-جذب آب52
فصل چهارم : نتايج و بحث54
4-1-نانوکامپوزيت‌‌هاي بر پايه رزين يورتان-اکريلات و نانو ذرات خاک رس54
4-1-1-مشخصه يابي نانو کامپوزيت54
4-1-2-خواص مکانيکي و فيزيکي60
4-2-کامپوزيت‌ها و نانوکامپوزيت‌‌هاي يورتان‌اکريلات تقويت شده با الياف فلاکس قبل و بعد از اصلاح سيلاني الياف74
4-2-1-مشخصه يابي کامپوزيت‌ها و نانو کامپوزيت‌ها74
4-2-2-خواص فيزيکي و مکانيکي78
فصل پنجم : نتيجه‌گيري و پيشنهادات88
5-1-نتيجه‌گيري88
5-2-پيشنهادات جهت ادامه تحقيق90
فصل ششم : مراجع و منابع92
6-1-منابع و مراجع92

فهرست شکل‌ها
شکل صفحهشکل 1-1 : رابطه تقريبي شعاع ذره با سطح آن3شکل 2-1 : شمايي از نحوه‌ي تهيه رزين يورتان-اکريلات6شکل 2-2 : شمايي از نحوه‌ي تهيه رزين پلي استر7شکل 2-3 : شمايي از نحوه‌ي تهيه رزين وينيل استر8شکل 2-4 : شماتيک الياف طبيعي8شکل ‏12-5 : ساختار کريستالي سيليکات‏‌هاي لايه‌اي16شکل ‏12-6 : شماتيک اصلاح خاك رس18شکل2-7 : ساختار نمادين سه نوع نانو کامپوزيت حاصل از اختلاط رس19شکل 2-8 : نمودار‌هاي XRD يک نمونه فلوئوروهکتوريت در ماتريس HDPE21شکل 2-9 : نحوه قرار گيري و ترتيب تجهيزات فرآيند قالب‌گيري رزين تحت خلاً24شکل 2-10 : نحوه‌ي چيدمان اجزاي فرآيند جهت پرهيز از ورود رزين به خلأ26شکل 3-1: نحوه تهيه و ساختار شيميايي رزين يورتان-آکريلات37شکل 3-2: تصوير پراش اشعه ايکس نانو ذرات خاک رس39شکل 3-3: الياف کتان (فلاکس) با آرايش تک جهته39شکل 3-4: ساختار شيميايي تري اتو کسي وينيل سيلان40شکل 3-5: شماتيک کلي کار انجام شده در پروژه42شکل 3-6: شماتيک روند تهيه رزين حاوي نانو ذرات44شکل 3-7: شماتيک اصلاح الياف44شکل 3-8: تصوير نهايي قالب سيليکوني ساخته شده جهت تهيه نمونه‌هاي آزمون به روش ريخته‌گري47شکل 3-9: تعدادي از نمونه‌هاي آزمون تهيه شده توسط فرآيند ريخته گري47شکل3-10: نمودار دما-زمان مدت زمان ژل براي رزين يورتان-اکريلات48شکل 3-11: شماتيک تهيه صفحات کامپوزيتي تقويت شده با الياف توسط فرآيند قالب گيري رزين تحت خلاً49شکل 3-12: صفحه‌ي توليد شده توسط فرآيند قالب‌گيري رزين تحت خلاً، قبل از برش51شکل 3-13: قطعه برش خورده از صفحه توليد شده توسط فرآيند قالب‌گيري رزين تحت خلاً51شکل 4-1 : منحني تغييرات ويسکوزيته رزين با افزايش ميزان نانو ذرات خاک رس55شکل 4-2 : تصاوير پراش اشعه ايکس نانو کامپوزيت‌هاي حاوي 0، 5/0، 5/1، 3، 5، 7 و 10 درصد وزني نانو ذرات خاک رس56شکل 4-3 : ريز نگار ميکروسکوپ الکتروني عبوري نمونه حاوي 3 درصد نانو خاک رس58شکل4-4: ريز نگار تجزيه پرتو ايکس با انرژي پاشنده (پخش آلومينيوم) نمونه RP+3N59شکل 4-5: نمودار تجزيه پرتو ايکس با انرژي پاشنده (مبني بر وجود نانو ذرات) نمونه RP+3N59شکل 4-6: ريز نگار تجزيه پرتو ايکس با انرژي پاشنده (پخش آلومينيوم) نمونه RP+7N60شکل 4-7: نمودار تجزيه پرتو ايکس با انرژي پاشنده (مبني بر وجود نانو ذرات) نمونه RP+7N60شکل 4-8 : تغييرات استحکام و مدول کششي نانو کامپوزيت‌ها با افزايش ميزان نانو ذرات از 0 تا 10 درصد وزني61شکل 4-9: دو نمونه با مدولي يکسان (الف) استحکام بيشتر (ب) استحکام کمتر63شکل 4-10 : تغييرات ازدياد طول رزين عاري از نانو ذرات قبل (الف) و بعد (ب) از آزمون کشش. تغييرات ازدياد طول ماتريس حاوي نانو ذرات قبل (ج) و بعد (د) از آزمون کشش64شکل 4-11 : تغييرات ازدياد طول نانو کامپوزيت‌هاي با درصد وزني بالاي نانو ذره و حاوي حباب‌هاي هوا قبل (الف) و بعد (ب) از آزمون کشش65شکل 4-12 : تغييرات استحکام و مدول خمشي نانو کامپوزيت‌ها با افزايش ميزان نانو ذرات از 0 تا 10درصد وزني66شکل 4-13 : تغييرات مقاومت در برابر ضربه نانو کامپوزيت‌ها با افزايش ميزان نانو ذرات خاک رس از 0 تا 10 درصد وزني68شكل 4-14: تصوير شماتيك مكانيزم افزايش استحكام ضربه در نانو کامپوزيت‌هاي حاوي نانو ذرات68شکل 4-15: تصوير ميکروسکوپ الکتروني روبشي نمونه RP69شکل 4-16: تصوير ميکروسکوپ الکتروني روبشي نمونه RP+3N70شکل 4-17: تصوير ميکروسکوپ الکتروني روبشي نمونه RP+7N70نمودار 4-18 : تغييرات جذب آب نانو کامپوزيت‌ها با افزايش ميزان نانو ذرات خاک رس از 0 تا 10 درصد وزني71نمودار 4-19 : تغييرات سختي بارکول نانو کامپوزيت‌ها با افزايش ميزان نانو ذرات خاک رس از 0 تا 10 درصد وزني72شکل 4-20: شماتيک طول پيموده شده جهت سوختن نمونه‌‌هاي حاوي 0 تا 10 درصد وزني نانو ذرات خاک رس73شکل 4-21: (الف) تصوير ميکروسکوپ الکتروني نمونه FRP (ب) تصوير تجزيه پرتو ايکس با انرژي پاشنده (پخش کربن) نمونه FRP (با بزرگنمايي 20 ميکرومتر)75شکل 4-22: نمودار تجزيه پرتو ايکس با انرژي پاشنده نمونه FRP مبني بر عدم وجود عوامل سيلاني و نانو ذرات75شکل 4-23 : (الف) تصوير ميکروسکوپ الکتروني نمونه FRST (ب) تصوير تجزيه پرتو ايکس با انرژي پاشنده (پخش سيلان) نمونه FRST)(با بزرگنمايي 20 ميکرومتر)76شکل 4-24 : نمودار تجزيه پرتو ايکس با انرژي پاشنده نمونه FRST مبني بر وجود عامل سيلان در الياف76شکل 4-25 : (الف) تصوير ميکروسکوپ الکتروني نمونه FRSTN (ب) تصوير تجزيه پرتو ايکس با انرژي پاشنده (پخش سيلان) نمونه FRSTN (پ) تصوير تجزيه پرتو ايکس با انرژي پاشنده (پخش آلومينيوم) نمونه FRSTN (با بزرگنمايي 20‌ميکرومتر) 77شکل 4-26 : نمودار تجزيه پرتو ايکس با انرژي پاشنده نمونه FRSTN مبني بر وجود عامل سيلاني در الياف و نانو ذرات در ماتريس رزيني77شکل 4-27 : تغييرات استحکام و مدول کششي نانو کامپوزيت‌هاي هيبريدي تقويت شده با الياف فلاکس78شکل 4-28 : شماتيک فصل مشترک به وجود آمده پس از اعمال عامل اصلاح کننده سيلاني بين اجزاء کامپوزيت79شکل 4-29 : تغييرات مقاومت در برابر ضربه کامپوزيت و نانوکامپوزيت‌‌هاي هيبريدي82شکل 4-30: ريز نگار ميکروسکوپ الکتروني روبشي نمونه FRP در ابعاد 50 ميکرومتر (الف) و 20 ميکرومتر (ب)83شکل 4-31: ريز نگار ميکروسکوپ الکتروني روبشي نمونه FRST در ابعاد 50 ميکرومتر (الف) و 20 ميکرومتر (ب)83شکل 4-32: ريز نگار ميکروسکوپ الکتروني روبشي نمونه FRSTN در ابعاد 50 ميکرومتر (الف) و 20 ميکرومتر (ب)84شکل 4-33 : تغييرات استحکام و مدول خمشي نانو کامپوزيت‌هاي هيبريدي تقويت شده با الياف فلاکس85شکل 4-34 : تغييرات جذب آب کامپوزيت و نانو کامپوزيت‌هاي هيبريدي تقويت شده با الياف فلاکس86
فهرست جداول
جدول صفحهجدول 2-1 : خواص الياف فلاکس در مقايسه با الياف شيشه9جدول 2-2 : تعدادي از سيلان‌ها و محدوده کاربرد آن‌ها13جدول 2-3 : چند نمونه از ترکيبات سيلاني با گروه آلي متفاوت13جدول 3-1 : خواص رزين مايع در دماي?C 2537جدول 3-2 : ترکيب درصد سيستم پخت نسبت به ماتريس پليمري38جدول 3-3 : خواص نانو ذره مورد استفاده38جدول 3-4: ترکيب درصد اجزاي شيميايي و خواص مشخصه الياف کتان مصرفي39جدول 3-5: مقايسه خواص الياف فلاکس و الياف شيشه40جدول 3-6 : نام اختصاري فرمولاسيون‌هاي تهيه شده از مخلوط رزين و نانو ذرات خاک رس 43 جدول 3-7 : نام اختصاري فرمولاسيون‌هاي متفاوت از کامپوزيت و نانو کامپوزيت‌هاي هيبريدي تهيه شده در فاز دوم 50 جدول 4-1 : تغييرات ازدياد طول در نقطه شکست نانو کامپوزيت‌ها با افزايش ميزان نانو ذرات از 0 تا 10 درصد وزني63 جدول 4-2 : تغييرات ازدياد طول در نقطه شکست کامپوزيت و نانو کامپوزيت‌ها هيبريدي تقويت شده با الياف فلاکس81
چکيده
به دليل ويسکوزيته پايين و خواص ضد اشتعال و پخت نسبتاً آسان، رزين‌‌هاي يورتان-اکريلات مورد توجه مي‌باشند. از طرفي الياف طبيعي با منابع تجديد شونده، قيمت پايين، دانسيته کم و خواص ويژه بالا، از قابليت ويژه‌اي براي استفاده در کامپوزيت‌ها برخوردار مي‌باشد. اما جذب رطوبت نسبتاً زياد و آتش گير بودن آن‌ها، در مقايسه با الياف کربن و شيشه، کاربري آن‌ها را محدود نموده است. تلفيق رزين يورتان-اکريلات با الياف طبيعي مي‌تواند خواص خوبي به لحاظ فيزيکي و مکانيکي ايجاد نمايد. از طرفي حضور ذرات در ابعاد نانو مي‌تواند بر خواص مکانيکي، حرارتي و جذب آب آن‌ها اثرات مطلوبي داشته باشد. در فاز اول اين پروژه رزين يورتان-اکريلات (Modar) با نانو رس در درصد‌هاي وزني مختلف با استفاده از هموژنايزر و حمام اولتراسونيک تلفيق شد. ساخت نمونه‌‌هاي مورد نياز جهت انجام آزمون‌هاي فيزيکي و مکانيکي با استفاده از قالب سيليکوني و به روش ريخته‌گري انجام شد. پخش نانو ذرات با استفاده از تکنيک‌هاي TEM، XRD و اندازه‌گيري ويسکوزيته بررسي شد. خواص مکانيکي شامل (کشش، خمش و ضربه) و خواص فيزيکي نانو کامپوزيت‌هاي حاصله شامل (سختي، سرعت سوختن و جذب آب) مورد بررسي قرار گرفت.
در فاز دوم تحقيق، الياف طبيعي فلاکس توسط عامل اتصال دهنده سيلاني با نام تري اتو کسي وينيل سيلان آماده سازي شد. با اين توصيف به جهت مشاهده اثر عامل اتصال دهنده سيلاني و همچنين پخش نانو ذرات خاک رس در کامپوزيت و نانوکامپوزيت‌‌هاي هيبريدي حاصله، اين بخش از پروژه به سه قسمت تقسيم شد: در قسمت اول، کامپوزيت‌‌هاي بر پايه رزين يورتان-اکريلات تقويت شده با الياف اصلاح نشده (FRP) تهيه شد تا با ورود عامل اتصال دهنده سيلاني در قسمت دوم، اثر بهبود فصل مشترک در خواص فيزيکي و مکانيکي کامپوزيت‌‌هاي تقويت شده با الياف سيلاني اصلاح شده (FRST) مورد بررسي قرار گيرد. در قسمت سوم نيز به منظور تأثير نانو ذرات خاک رس بر خواص فيزيکي و مکانيکي نانو کامپوزيت‌هاي هيبريدي تقويت شده با الياف فلاکس اصلاح شده (FRSTN)، از نانو کامپوزيت حاوي 3درصد وزني نانو کلي که در فاز اول به لحاظ تکنيک‌هاي شناسايي و خواص به عنوان بهينه‌ترين فرمولاسيون انتخاب شده بود به عنوان فاز ماتريس مورد استفاده قرار گرفت. کامپوزيت‌ها و نانو کامپوزيت‌‌هاي هيبريدي تقويت شده با الياف اصلاح شده و اصلاح نشده توسط فرآيند قالب‌گيري رزين تحت خلاً تهيه شد. بهبود فصل مشترک کامپوزيت و نانو کامپوزيت‌هاي هيبريدي فوق به وسيله عامل اتصال دهنده سيلاني توسط تصاوير SEM دنبال شد. وجود نانو ذرات خاک رس و عامل اتصال دهنده سيلاني به ترتيب در ماتريس پليمري و سطح الياف طبيعي، توسط تکنيک‌ EDXA بررسي شد. در انتها خواص فيزيکي و مکانيکي کامپوزيت و نانو کامپوزيت‌هاي هيبريدي تهيه شده در فاز دوم اندازه‌گيري شد و اثرات عامل اتصال دهنده سيلاني و نانو ذرات خاک رس در آن‌ها مورد بررسي قرار گرفت.
نتايج نشان داد که افزودن نانو ذرات خاک رس در بهبود خواص فيزيکي و مکانيکي کامپوزيت‌هاي تهيه شده در فاز اول موثر بوده که بهينه‌ترين خواص، در نانو کامپوزيت‌هاي حاوي 3 درصد وزني نانو ذرات خاک رس مشاهده شده است. همچنين مشاهده شده که اصلاح الياف کتان، توسط تري اتوکسي وينيل سيلان و پس از آن افزودن نانو ذرات به کامپوزيت‌هاي اصلاح شده، خواص فيزيکي و مکانيکي کامپوزيت‌هاي تقويت شده با الياف در فاز دوم را بهبود داده است.

1 فصل اول : مقدمه

در تهيه قطعات مهندسي، همواره وزن کم و در عين حال خواص مکانيکي بالا از ارجحيت برخوردار بوده است و به همين دليل هم از دير باز کامپوزيت‌ها مورد توجه بوده‌اند و روز به روز تحقيقات در زمينه آن‌ها در حال گسترش مي‌باشد. با توجه به اينکه در سال‌هاي اخير فناوري نانو مورد توجه بسيار قرار گرفته است، نانو کامپوزيت‌ها نيز شاخه نسبتاً جديدي از کامپوزيت‌ها را به خود اختصاص داده‌اند.
1-1-کامپوزيت‌ها
كامپوزيت‌ها مواد پيشرفته‌اي هستند كه از دو يا چند ماده يا فاز که داراي برهم کنش‌‌هاي فيزيکي و يا شيميايي، در سطح مولکولي يا اتمي با يکديگر مي‌باشند، تشکيل شده‌اند. روش‌هاي متنوع و زيادي براي ترکيب مواد و يا فاز‌هاي مختلف وجود دارد که شامل: اختلاط، آميزه سازي، هم زدن، ذوب کردن و کنار هم چيدن است. از هر جزء مشخص در كامپوزيت‌ها، براي ايجاد خواصي مطلوب كه در هيچ يك از مواد به كار رفته در ترکيب، به تنهايي وجود ندارد، استفاده مي‌شود. يک كامپوزيت شامل حداقل دو فاز پيوسته (ماتريس) و ناپيوسته‌ (الياف) است. امروزه کامپوزيت‌ها در محدوده وسيعي از كاربردها از جمله در زمينه‌هايي نظير حمل و نقل، ابزار آلات، الكترونيك و محصولات ديگر به كار مي‌روند.
کامپوزيت‌ها عليرغم داشتن مزايايي نظير هزينه‌ي کم، مدول و مقاومت كششي بالا، اغلب باعث كاهش وضوح نوري و شفافيت و صافي سطح محصولات تهيه شده و در پاره‌اي از موارد موجب شكننده شدن پليمر مي‌گردند.
فناوري نانو و توليد مواد در ابعاد نانومتري موضوع تحقيقاتي جالبي است كه توجه بسياري از محققين را به خود معطوف داشته است. زمينه نانو کامپوزيت‌هاي پليمري نيز به عنوان يكي از شاخه‌هاي اين فناوري جديد، در سال‌هاي اخير اهميت ويژه‌اي يافته است و يكي از شاخه‌هاي تحقيقاتي فعال به شمار مي‌آيد.
1-2-نانو فناوري
نانو فناوري يکي از شاخه‌هاي نسبتاً جديد علوم است که با سرعت زيادي در حال رشد و شکوفايي است. نانو فناوري عبارت است از توسعه تحقيقات و فناوري در سطوح اتمي، مولکولي و ماکرومولکولي با طول تقريبي يک الي صد نانومتر، براي فراهم آوردن شناخت اصولي از پديده‌ها و مواد در مقياس نانو و با هدف ايجاد و استفاده از ساختارها، قطعات و سامانه‏‌هايي که به خاطر اندازه کوچک و يا متوسط خود خواص کاربردي جديدي دارند[1]. اين فناوري کاربرد‌هاي بديعي را در صنايع مختلف پيدا کرده و طيف وسيعي از محصولات را پوشش مي‌دهد، از کاربرد‌هاي بسيار پيشرفته هوا فضا گرفته تا لوازم روزمره زندگي مانند لباس و پوشاک. مفاهيم جديد نانو فناوري چنان گسترده شده‏اند که ديگر به سختي مي‏توان همه آن‌ها را در يک جا ذکر کرد و علي رغم اينکه اين فناوري مفهوم جديدي در صنعت مي‏باشد در برخي موارد مانند فناوري اطلاعات و يا هوا فضا مفهومي غيرقابل چشم‏پوشي است. دليل اهميت وافر و روز افزون اين مفهوم تازه را مي‏توان در اين واقعيت يافت که با ايجاد ساختار‌هاي نانومتري، کنترل خصوصيات مهم مواد چون دماي ذوب، رفتار مغناطيسي و حتي رنگ آن‌ها، بدون تغيير در ترکيب شيميايي آن‌ها، ممکن خواهد بود[1].
کارايي هر سازه وابسته به خواص مواد تشکيل دهنده آن است و خواص مواد نيز کاملاً وابسته به ساختار اتمي و مولکولي، ترکيب، ساختار ميکروسکوپي، عيوب و سطوح مشترک ذرات آن است. يکي از دلايل خواص منحصر به فردي که اين ذرات از خود نشان مي‌دهند سطح بسيار بالاي آن‌هاست، زيرا با کاهش اندازه و شعاع ذرات، سطح آن‌ها به شدت زياد شده و به طبع آن نسبت سطح به حجم شديداً افزايش مي‌يابد ( اين اثر در شکل 1-1 نمايش داده شده است). از ديگر مزاياي مواد در اين ابعاد را مي‏توان به غير قابل مشاهده بودن آن‌ها تحت نور مرئي اشاره کرد. زيرا بر اساس تئوري Mei [1] چنانچه ابعاد ذرات کمتر از نصف طول موج نور مرئي (کمتر از 200 نانومتر) باشد پرتو‌هاي نوري بدون تفرق يا انعکاس از ذره عبور مي‏کنند، بدين ترتيب مي‌توان از اين ذرات براي ايجاد خواصي جديد بدون تأثير بر خواص نوري ماده اوليه استفاده کرد.

1-3-نانو کامپوزيت‌ها
1-3-1-تاريخچه تهيه و استفاده از نانو کامپوزيت‌ها
در سال 1959 ريچارد فاينمن برنده جايزه نوبل فيزيک در سخنراني خود در دانشگاه کاليفرنيا اين پرسش را مطرح کرد که: “اگر بتوان اتم‌ها را يک به يک به گونه‌اي که مي‌خواهيم مرتب کنيم چه پيش خواهد آمد؟”. اين پرسش منشاً تئوري خلق نانوتکنولوژي مدرن و علم نانو بود. توسعه ميکروسکوپ نيروي اتمي1 و ميکروسکوپ مجرا زن الکتروني روبشي2 توسط IBM در دهه 80 ديگر دليل پيشرفت اين علم بود. اختراع ميکروسکوپ‌هاي روبشي با Nanoprobe نيز در 20 سال اخير توسعه نانوتکنولوژي و علم نانو را سريع‌تر کرده است .
در سال 1992 نخستين مجله علمي درباره مواد نانو به نام مواد با ساختار نانو به چاپ رسيد. در دهه‌هاي 80 و 90 تهيه نانو تيوب‌هاي کربني و باکي بال C60 محرکي ديگر در علم و تکنولوژي نانو بود. از سوي ديگر، بحث‌ها و اطلاعات بسياري در مورد روش‌هاي شيميايي براي آماده سازي نانو ذرات، نانو پودرها و مواد در مقياس نانو در مقالات و کتاب‌هاي يک قرن گذشته به آساني قابل دسترسي است. اين مسئله ثابت مي‌کند که مفاهيمي همچون نانو سايز، نانو مقياس و علم نانو براي بيش از يک‌صد سال شناخته شده است.
1-3-2-معرفي نانو کامپوزيت‌ها
واژه نانو کامپوزيت به مواد ترکيبي اطلاق مي‌شود که حداقل يکي از ابعاد فاز پُرکننده در مقياس نانومتري (9-10 متر) باشد. بر اساس ابعاد ذرات پُر کننده، نانو کامپوزيت‌ها به سه دسته زير تقسيم مي‏شوند [1]:
> ابعاد ذرات در هر سه فاز در مقياس نانومتري است و نانو ذرات، مانند ذرات سيليکاي کروي يا نانو زيرکونياي کروي شکل، داراي ابعاد يکساني هستند.
> دو بعد ذرات در مقياس نانو و بعد سوم بزرگ‌تر از يک‌صد نانومتر است مانند نانو لوله‌‌هاي کربني.
> ذرات تنها داراي يک بعد در مقياس نانو است. غالباً اين نوع پرکننده‌ها ساختاري ورقه‌اي دارند مانند نانو ذرات رس[2, 3].
در بين انواع مختلف نانو ذرات، نانوکامپوزيت‌‌هاي پليمر- سيليکات، هم در صنعت و هم در مجامع علمي توجه زيادي را به خود اختصاص داده‌اند و گزارش‌‌هاي متعددي مبني بر بهبود خواص مختلف از جمله مدول بالا[4-9]، افزايش استحکام و بهبود مقاومت حرارتي[10]، کاهش عبور پذيري گازها[11-15] و اشتعال پذيري[16-19]، و افزايش تخريب پذيري پليمر‌هاي تخريب ناپذير[20] وجود دارد. اين در حالي است که مصرف معمول مواد نانو کمتر از 6 درصد وزني ماتريس پليمري است. صرف‌نظر از خواص عالي و منحصر به فرد مواد نانو کامپوزيت، در تهيه آن‌ها مشكلات فرآيندي قابل توجهي وجود دارد که از اساسي‌ترين آن‌ها مي‌توان به موارد زير اشاره كرد:
> عدم توزيع يكنواخت فاز نانو ذرات در فاز ماتريس پليمري؛ اين امر مي‌تواند باعث كاهش خواص فيزيكي و مكانيكي نانو کامپوزيت شود.
> قيمت بالاي تجهيزات مورد استفاده براي توزيع يكنواخت فاز نانو ذرات درون فاز زمينه و جلوگيري از به هم چسبيدن ذرات پودر نانو کامپوزيتي و ساخت نانو کامپوزيت‌هايي با ريز ساختار همگن و خواص مكانيكي بالا، باعث غير اقتصادي شدن و همچنين پيچيده شدن فرآيند مي‌شود[21].
1-4-هدف
هدف از انجام اين تحقيق، ساخت نانوکامپوزيت‌‌هاي يورتان-اکريلات/نانو خاک رس و ارزيابي خواص فيزيکي و مکانيکي نمونه‌‌هاي حاصل مي‌باشد. از ديگر اهداف اين پروژه ساخت کامپوزيت‌‌هاي يورتان-اکريلات بر پايه الياف طبيعي است که به منظور بهبود خواص حرارتي و جذب آب اين نوع الياف انجام مي‌پذيرد و ضمن آن اثر اصلاح سطح الياف بر خواص کامپوزيت‌ها و در انتها اثر وجود نانو ذرات نيز بر خواص کامپوزيت‌‌هاي مذکور مورد بررسي قرار مي‌گيرد.
اين پايان نامه مشتمل بر پنج فصل مي‌باشد. در فصل اول مقدمه و برخي تعاريف آورده شده است. فصل دوم، به مرور مطالعات انجام شده در زمينه تحقيق اختصاص يافته است. در فصل سوم مواد و روش‌هاي انجام تحقيق معرفي شده است. در فصل چهارم نتايج بدست آمده از آزمون‌هاي صورت گرفته و تفسير نتايج آورده شده است. نتيجه‌گيري نهايي و پيشنهادهايي جهت ادامه كار نيز در فصل پنجم آورده شده است.
2 فصل دوم : مروري بر مطالعات انجام شده

2-1-فاز پيوسته (زمينه/ماتريس)
در بعضي از خواص كامپوزيت نظير استحكام و مدول عرضي3، خواص برشي و خواص در حالت فشاري زمينه نقش اساسي داشته اما نقش كمي در تحمل نيروهاي كششي ايفا مينمايد. سهل و يا دشوار بودن فرآيندپذيري و وجود نقص4 در يك كامپوزيت، وابستگي زيادي به خصوصيات فيزيكي زمينه مانند گرانروي، نقطه ذوب و دماي پخت آن دارد[22]. انواع زمينههاي پليمري مورد استفاده در صنعت كامپوزيت بر دو دسته‌گرمانرم و گرماسخت تقسيم بندي ميشوند.
2-1-1-رزين يورتان-اکريلات5
پلي يورتان‌ها کو پليمرهايي با خواص و ساختار ويژه هستند که زنجير مولکولي آن‌ها شامل بخش‌‌هاي سخت6 متناوب حاوي ايزوسيانات‌ها و انتهاي زنجير و بخش نرم7 تشکيل شده از پلي استر يا پلي اتر
پلي اُل‌ها مي‌باشد. بخش‌هاي سخت موجب سختي پلي يورتان شده، در حالي که بخش‌‌هاي نرم موجب انعطاف پذيري آن‌ها مي‌شوند. بنابراين با تغييرات ميزان و نوع بخش‌‌هاي نرم و سخت چندين نوع پلي يورتان با ساختار و خواص فيزيکي مکانيکي متفاوت به دست مي‌آيد که داراي کاربردهاي وسيعي در تهيه
پوشش‌ها، چسب‌ها هستند. پلي يورتان خواص بسيار خوبي همچون مقاومت در برابر سايش و روغن‌ها، انعطاف‌پذيري، سختي و همانند اين‌ها را دارا مي‌باشند. پلي يورتان از واکنش الکل‌ها و ايزوسيانات‌ها تهيه مي‌شوند که در نهايت با افزودن گروه اکريلاتي پلي يورتان-اکريلات‌ها ساخته مي‌شوند. پلي يورتان‌-‌اکريلات نشان داده شده در شکل 2-1 متشکل از ايزوفورن دي‌ايزوسيانات8، پلي‌اتيلن‌گلايکول9 و هيدروکسي اتيل متيل اکريلات10 مي‌باشد[23].
شکل 2-1 : شمايي از نحوه‌ي تهيه رزين يورتان-اکريلات]23[
2-1-2-رزينهاي پلي استر غير اشباع11
رزين پلياستر غيراشباع پرمصرفترين رزين در صنعت كامپوزيت ميباشد. زنجير اصلي پليمري اين رزين داراي اتصالات استري مي‌باشد كه از واكنش تراكمي يك يا چند الكل دو يا چند عاملي (مانند اتيلن گلايكول CH2-CH2-OH HO- ، پروپيلن گلايكول) با اسيد يک يا چند عاملي (مانند فتاليك اسيد يا انيدريد، مالئيك و فوماريك اسيد) تهيه ميشوند[24]. شمايي از نحوه‌ي تهيه رزين پلي استر در شکل 2-2 نشان داده شده است.

شکل 2-2 : شمايي از نحوه‌ي تهيه رزين پلي استر]24[
2-1-3-رزينهاي وينيل استر
وينيل استرها محصول واكنش رزين هاي اپوكسي با اسيدهاي غير اشباع اتيلني مي‌باشند، بجز حالات خاص، معمولاً رزين‌هاي وينيل استر داراي انتهاي غير اشباع مي‌باشند. رزين هاي وينيل استر خواص چقرمگي و مقاومت شيميايي بسيار بهتري نسبت به رزين‌هاي پلي استر دارند. زنجير اصلي اپوكسي سازنده وينيل استر، موجب ايجاد چقرمگي و ازدياد طول كششي بالاتر مي‌شود. جرم مولكولي رزين‌هاي وينيل استر به انتخاب نوع اپوكسي بكار رفته بستگي دارد. به اين دليل، استحكام كششي، ازدياد طول، نقطه نرمي و واكنش‌پذيري رزين نهايي توسط جرم مولكولي و ساختار اوليه تعيين مي‌شود. اين موضوع، اين امكان را به وجود مي‌آورد كه براي كاربردهاي مختلف خواص مختلف طراحي شود. رزين‌هاي وينيل استر در مقايسه با پلي استرهاي غير اشباع مقاومت شيميايي خوبي دارند. بخشي از اين ويژگي مربوط به عدم حضور پيوندهاي استري در زنجيره اپوكسي مي‌باشد. اتصالات اجزاي پليمر، توسط پيوندهاي فنيل استري انجام مي‌گيرد. اين اتصالات در مقايسه با اتصالات استري در برابر اكثر محيط‌هاي شيميايي به ويژه در شرايط قليايي شديد،
مقاوم‌تر هستند. اتصال استري تنها در انتهاي زنجير وينيل استر وجود دارد. اين امر حملات عوامل شيميايي را به حداقل مي‌رساند. ساختار شيميايي رزين وينيل استر در شکل 2-3 نشان داده شده است.
شکل 2-3 : شمايي از نحوه‌ي تهيه رزين وينيل استر
2-2-الياف
به طور کلي نقش الياف در مواد کامپوزيتي تحمل عمده بار وارده بر ساختار کامپوزيت مي‌باشد، از اين لحاظ از اصلي‌ترين اجزاء مواد کامپوزيتي بشمار مي‌رود که بالاترين درصد حجمي را در قبال ساير اجزاي کامپوزيت به خود اختصاص مي‌دهد. بسياري از خواص کامپوزيت از جمله استحکام کششي، استحکام فشاري، مدول کششي، جرم مخصوص، خواص الکتريکي و حرارتي تحت تأثير مستقيم نوع الياف، ميزان و چگونگي آرايش آن‌ها در ساختار قطعه است. الياف مورد استفاده در صنعت کامپوزيتي را


دیدگاهتان را بنویسید