1 Școală de Inginerie a Materialelor, Universitatea din Malaezia Perlis, Complexul Taman Muhibbah, Jejawi 2, 02600 Arau, Perlis, Malaezia

sonorizării

2 Facultatea de Inginerie, Universitatea din Malaezia Perlis, Campus principal, Pauh Putra, 02600 Perlis, Malaezia

Abstract

Compozitele epoxidice umplute cu nanoplatete de grafen (PNB) au variat între 0,2 și 5% vol. Au fost pregătite în acest studiu folosind sonicare simplă a căldurii asistată de căldură pentru o mai bună dispersie și exfoliere a PNB. S-au investigat efectele încărcării de umplere GNP prin sonicare cu baie asistată de căldură asupra proprietăților mecanice și comportamentului de deformare termică. S-au înregistrat îmbunătățiri ale rezistenței la flexiune și rezistenței la rupere până la 0,4 vol.% Încărcarea umpluturii. Adăugarea suplimentară a încărcării de umplere GNP arată un comportament deteriorat asupra proprietăților mecanice ale compozitelor. Conductivitatea electrică în vrac a compozitelor epoxidice este mult îmbunătățită prin adăugarea încărcării de umplere GNP până la 1% vol. Expansiunea termică a compozitelor epoxidice se reduce odată cu adăugarea PNB; cu toate acestea se observă o stabilitate termică slabă a compozitelor.

1. Introducere

Grafenul, materialul minune din ultimul deceniu, a atras atenția inginerilor și oamenilor de știință pentru materiale, pentru atributele sale remarcabile. Din punct de vedere structural, grafenul este un atom de carbon cu un singur strat dispus în rețea hexagonală, la care interacțiunea dintre atomii de carbon se realizează prin legături sigma puternice, prin suprapunerea orbitalilor sp 2 în plan. S-a demonstrat că structura fagure în 2D a acestui nanomaterial posedă proprietăți mecanice excelente, o bună conductivitate electrică și termică în plan [1-3]. Nanoplachetele de grafen (PNB) au constat din stratul stivuit de foi de grafen care sunt foarte utilizate ca material de umplutură în studiul compozitelor polimerice [4-8]. Structura geometrică a PNB, cu dimensiunea particulelor cu grosimea nanoscală și suprafața laterală a scării micronilor, care permit o suprafață mare de contact a suprafeței, este încorporată în matricea polimerică la o încărcare redusă a umpluturii, îmbunătățind astfel proprietățile matricei polimerice, fără a sacrifica niciun fel de intrinsec. proprietăți.

Epoxidica, ca o clasă importantă de rășină polimerică, care este utilizată pe scară largă în diferite aplicații, este o perspectivă sinceră de luat în considerare în problema încorporării PNB. Rășina epoxidică este utilizată în principal într-o aplicație specifică, cum ar fi adezivi, industria aerospațială pentru partea exterioară a corpului și material izolant pentru aplicarea coroziunii [9]. Cu toate acestea, conductivitatea electrică și termică slabă cu un coeficient ridicat de expansiune termică (CTE) la creșterea temperaturii sunt principalele puncte slabe ale epoxidului. Aceste puncte slabe sunt deosebit de importante, în care rășina epoxidică este utilizată ca substrat organic în aplicațiile de ambalare electronică. Diferența mare a valorii CTE între epoxid și siliciu la creșterea temperaturii poate provoca eșecuri și deformări, unde căldura este un factor constant [10-12].

CTE-ul epoxidic poate fi redus foarte mult prin încorporarea unor materiale de umplutură cu conductivitate termică ridicată, cum ar fi pulbere de metal, negru de fum și alte materiale de umplutură, dar, în general, necesită o încărcare mare a materialului de umplere, ceea ce duce la un alt obstacol, creșterea vâscozității pe matricea polimerică, care a dus la dificultăți în timpul procesării. Adunându-se din studiile anterioare, încărcarea de umplutură necesară pentru a da un efect reglabil asupra conductivității electrice și termice a rășinii epoxidice va necesita 10-20 vol.% Din încărcătura de umplutură [13, 14], în funcție de mai mulți factori, inclusiv metodologia de procesare, dimensiunea particulelor de umplere [15-18], distribuția particulelor [19] și raportul aspectului particulelor [20, 21]. Nanofillers, cum ar fi nanoplachetele de grafen, sunt unul dintre pașii promițătoare pentru reducerea considerabilă a încărcăturii de umplere, până la 0,01-1% vol., 22] și conductivitate termică [23-25].

Blocajul utilizării umpluturii nanosize este că necesită un proces de dispersie adecvat, pentru a obține o bună dispersie în matricea polimerică, precum și o bună interacțiune interfațială între umplutura și matricea polimerică. Această etapă specifică este atinsă cu greu prin metoda de amestecare directă și este nevoie de instrumente și/sau solvenți specifici pentru a adapta rezultatul dorit. Acest lucru se datorează formei plate a acestor materiale de umplutură, care tind să se agregeze în condiții normale, datorită forțelor puternice Van der Waals [26]. Aici s-a folosit un tip comercial de PNB pentru a prepara nanocompozitele epoxidice și au fost investigate efectele încărcării de umplutură GNP încorporate în epoxidice.

În acest studiu, utilizarea de echipamente sofisticate sau procese de exfoliere asistate chimic pentru dispersia grafenului în matricea polimerică sunt evitate pentru ușurarea procesării și conservarea mediului. Pentru a realiza o dispersie omogenă a PNB în rășină epoxidică, s-a utilizat un proces de sonicare după amestecarea directă a PNB în rășină epoxidică. În acest proces a fost utilizată sonicarea cu baie asistată de căldură, unde temperatura este utilizată pentru a reduce vâscozitatea rășinii epoxidice pentru a ajuta procesul de dispersie a PNB în rășină epoxidică. Compozitele epoxidice umplute cu GNP au fost preparate cu adăugarea a 0,2, 0,4, 0,6, 0,8, 1, 3 și 5% vol. Încărcare de umplutură. Am investigat efectele încărcării umpluturii GNP asupra flexibilității, rezistenței la rupere, proprietăților electrice, CTE și stabilității termice, în comparație cu controlul epoxidului pur. Încărcarea de umplere PNB peste 5 vol.% Nu a fost studiată în această lucrare din cauza dificultății procesării datorită vâscozității crescute.

2. Experimental

2.1. Materiale

Nanoplatete de grafen (PNB), grad 0540DX, care se prezintă sub formă granulară, cu grosimea de 1-5 nm, diametrul mediu al particulelor mai mic de 2 μm, suprafața 750 m 2/g și 99% conținut de carbon, au fost achiziționate de la Skyspring Nanomaterials, Inc. Rășina epoxidică și întăritorul utilizat în această cercetare au fost rășina epoxidică transparentă DER 331, densitate 1,16 g/cm 3 și întăritorul epoxidic, ambele fiind furnizate de Euro Chemo-Pharma Sdn. Bhd. Toate materialele au fost utilizate așa cum au fost primite fără alte modificări.

2.2. Pregătirea unei mostre

Au fost preparate compozite epoxidice umplute cu GNP cu încărcare diferită de umplutură urmate de 0,2, 0,4, 0,6, 0,8, 1, 3 și 5% vol.% Încărcare de umplutură. Cantitatea ponderată de rășină epoxidică a fost amestecată direct cu pulberi GNP timp de 5 minute la temperatura camerei și urmată de 30 de minute de sonicare a băii la 60 ° C. După sonicare, s-a făcut un proces de agitare continuă până când rășina s-a răcit la temperatura camerei. Aceasta pentru a preveni reaglomerarea PNB după procesul de sonicare în timpul răcirii. 60 răni de întăritor s-au adăugat în rășina epoxidică și s-au agitat timp de 10 minute. Rășina epoxidică a fost turnată într-o matriță și procesul de degazare s-a făcut folosind un cuptor sub vid timp de 30 de minute. Rășina epoxidică a fost întărită la 100 ° C timp de 1 oră și, după aceea, a fost tăiată în dimensiunea dorită în scopul testării.

2.3. Caracterizare

Spectroscopia cu infraroșu transformat Fourier (FTIR) a fost efectuată prin instrumentul Perkin Elmer Model Spectrum 65 SUA și scanată în intervalul de lungimi de undă de 4000-500 cm -1. Rezistența la flexiune și modulul au fost determinate folosind Instron 5569 Universal Testing Machine (UTM). Testarea a fost efectuată conform ASTM D790 cu o îndoire în 3 puncte la temperatura camerei, cu o viteză de mișcare a capului încrucișat de 2,38 mm · min -1. Rezistența la fractură a fost realizată conform ISO 13586, folosind Instron 5569 Universal Testing Machine (UTM). Probele crestate cu o singură margine au fost tăiate și supuse încărcării statice la tracțiune (SEN-T), cu o viteză de încărcare de 1 mm · min -1 la temperatura camerei. Crestarea probelor a fost făcută prin tăiere și ascuțire cu o lamă de ras. Rezistența electrică în vrac și conductivitatea au fost măsurate folosind un multimetru de precizie Fluke 8845A/8846A cu 6,5 cifre. Rezistența a fost măsurată în timpul testării și conductivitatea în vrac a fiecărei probe a fost calculată conform