دانلود پایان نامه

) و ناپیوسته‌ (الیاف) است. امروزه کامپوزیت‌ها در محدوده وسیعی از کاربردها از جمله در زمینه‌هایی نظیر حمل و نقل، ابزار آلات، الکترونیک و محصولات دیگر به کار می‌روند.
کامپوزیت‌ها علیرغم داشتن مزایایی نظیر هزینه‌ی کم، مدول و مقاومت کششی بالا، اغلب باعث کاهش وضوح نوری و شفافیت و صافی سطح محصولات تهیه شده و در پاره‌ای از موارد موجب شکننده شدن پلیمر می‌گردند.
فناوری نانو و تولید مواد در ابعاد نانومتری موضوع تحقیقاتی جالبی است که توجه بسیاری از محققین را به خود معطوف داشته است. زمینه نانو کامپوزیت‌های پلیمری نیز به عنوان یکی از شاخه‌های این فناوری جدید، در سال‌های اخیر اهمیت ویژه‌ای یافته است و یکی از شاخه‌های تحقیقاتی فعال به شمار می‌آید.
۱-۲-نانو فناوری
نانو فناوری یکی از شاخه‌های نسبتاً جدید علوم است که با سرعت زیادی در حال رشد و شکوفایی است. نانو فناوری عبارت است از توسعه تحقیقات و فناوری در سطوح اتمی، مولکولی و ماکرومولکولی با طول تقریبی یک الی صد نانومتر، برای فراهم آوردن شناخت اصولی از پدیده‌ها و مواد در مقیاس نانو و با هدف ایجاد و استفاده از ساختارها، قطعات و سامانه‏‌هایی که به خاطر اندازه کوچک و یا متوسط خود خواص کاربردی جدیدی دارند[۱]. این فناوری کاربرد‌های بدیعی را در صنایع مختلف پیدا کرده و طیف وسیعی از محصولات را پوشش می‌دهد، از کاربرد‌های بسیار پیشرفته هوا فضا گرفته تا لوازم روزمره زندگی مانند لباس و پوشاک. مفاهیم جدید نانو فناوری چنان گسترده شده‏اند که دیگر به سختی می‏توان همه آن‌ها را در یک جا ذکر کرد و علی رغم اینکه این فناوری مفهوم جدیدی در صنعت می‏باشد در برخی موارد مانند فناوری اطلاعات و یا هوا فضا مفهومی غیرقابل چشم‏پوشی است. دلیل اهمیت وافر و روز افزون این مفهوم تازه را می‏توان در این واقعیت یافت که با ایجاد ساختار‌های نانومتری، کنترل خصوصیات مهم مواد چون دمای ذوب، رفتار مغناطیسی و حتی رنگ آن‌ها، بدون تغییر در ترکیب شیمیایی آن‌ها، ممکن خواهد بود[۱].
کارایی هر سازه وابسته به خواص مواد تشکیل دهنده آن است و خواص مواد نیز کاملاً وابسته به ساختار اتمی و مولکولی، ترکیب، ساختار میکروسکوپی، عیوب و سطوح مشترک ذرات آن است. یکی از دلایل خواص منحصر به فردی که این ذرات از خود نشان می‌دهند سطح بسیار بالای آن‌هاست، زیرا با کاهش اندازه و شعاع ذرات، سطح آن‌ها به شدت زیاد شده و به طبع آن نسبت سطح به حجم شدیداً افزایش می‌یابد ( این اثر در شکل ۱-۱ نمایش داده شده است). از دیگر مزایای مواد در این ابعاد را می‏توان به غیر قابل مشاهده بودن آن‌ها تحت نور مرئی اشاره کرد. زیرا بر اساس تئوری Mei [1] چنانچه ابعاد ذرات کمتر از نصف طول موج نور مرئی (کمتر از ۲۰۰ نانومتر) باشد پرتو‌های نوری بدون تفرق یا انعکاس از ذره عبور می‏کنند، بدین ترتیب می‌توان از این ذرات برای ایجاد خواصی جدید بدون تأثیر بر خواص نوری ماده اولیه استفاده کرد.

۱-۳-نانو کامپوزیت‌ها
۱-۳-۱-تاریخچه تهیه و استفاده از نانو کامپوزیت‌ها
در سال ۱۹۵۹ ریچارد فاینمن برنده جایزه نوبل فیزیک در سخنرانی خود در دانشگاه کالیفرنیا این پرسش را مطرح کرد که: “اگر بتوان اتم‌ها را یک به یک به گونه‌ای که می‌خواهیم مرتب کنیم چه پیش خواهد آمد؟”. این پرسش منشاً تئوری خلق نانوتکنولوژی مدرن و علم نانو بود. توسعه میکروسکوپ نیروی اتمی۱ و میکروسکوپ مجرا زن الکترونی روبشی۲ توسط IBM در دهه ۸۰ دیگر دلیل پیشرفت این علم بود. اختراع میکروسکوپ‌های روبشی با Nanoprobe نیز در ۲۰ سال اخیر توسعه نانوتکنولوژی و علم نانو را سریع‌تر کرده است .
در سال ۱۹۹۲ نخستین مجله علمی درباره مواد نانو به نام مواد با ساختار نانو به چاپ رسید. در دهه‌های ۸۰ و ۹۰ تهیه نانو تیوب‌های کربنی و باکی بال C60 محرکی دیگر در علم و تکنولوژی نانو بود. از سوی دیگر، بحث‌ها و اطلاعات بسیاری در مورد روش‌های شیمیایی برای آماده سازی نانو ذرات، نانو پودرها و مواد در مقیاس نانو در مقالات و کتاب‌های یک قرن گذشته به آسانی قابل دسترسی است. این مسئله ثابت می‌کند که مفاهیمی همچون نانو سایز، نانو مقیاس و علم نانو برای بیش از یک‌صد سال شناخته شده است.
۱-۳-۲-معرفی نانو کامپوزیت‌ها
واژه نانو کامپوزیت به مواد ترکیبی اطلاق می‌شود که حداقل یکی از ابعاد فاز پُرکننده در مقیاس نانومتری (۹-۱۰ متر) باشد. بر اساس ابعاد ذرات پُر کننده، نانو کامپوزیت‌ها به سه دسته زیر تقسیم می‏شوند [۱]:
ابعاد ذرات در هر سه فاز در مقیاس نانومتری است و نانو ذرات، مانند ذرات سیلیکای کروی یا نانو زیرکونیای کروی شکل، دارای ابعاد یکسانی هستند.
دو بعد ذرات در مقیاس نانو و بعد سوم بزرگ‌تر از یک‌صد نانومتر است مانند نانو لوله‌‌های کربنی.
ذرات تنها دارای یک بعد در مقیاس نانو است. غالباً این نوع پرکننده‌ها ساختاری ورقه‌ای دارند مانند نانو ذرات رس[۲, ۳].
در بین انواع مختلف نانو ذرات، نانوکامپوزیت‌‌های پلیمر- سیلیکات، هم در صنعت و هم در مجامع علمی توجه زیادی را به خود اختصاص داده‌اند و گزارش‌‌های متعددی مبنی بر بهبود خواص مختلف از جمله مدول بالا[۴-۹]، افزایش استحکام و بهبود مقاومت حرارتی[۱۰]، کاهش عبور پذیری گازها[۱۱-۱۵] و اشتعال پذیری[۱۶-۱۹]، و افزایش تخریب پذیری پلیمر‌های تخریب ناپذیر[۲۰] وجود دارد. این در حالی است که مصرف معمول مواد نانو کمتر از ۶ درصد وزنی ماتریس پلیمری است. صرف‌نظ
ر از خواص عالی و منحصر به فرد مواد نانو کامپوزیت، در تهیه آن‌ها مشکلات فرآیندی قابل توجهی وجود دارد که از اساسی‌ترین آن‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
عدم توزیع یکنواخت فاز نانو ذرات در فاز ماتریس پلیمری؛ این امر می‌تواند باعث کاهش خواص فیزیکی و مکانیکی نانو کامپوزیت شود.
قیمت بالای تجهیزات مورد استفاده برای توزیع یکنواخت فاز نانو ذرات درون فاز زمینه و جلوگیری از به هم چسبیدن ذرات پودر نانو کامپوزیتی و ساخت نانو کامپوزیت‌هایی با ریز ساختار همگن و خواص مکانیکی بالا، باعث غیر اقتصادی شدن و همچنین پیچیده شدن فرآیند می‌شود[۲۱].
۱-۴-هدف
هدف از انجام این تحقیق، ساخت نانوکامپوزیت‌‌های یورتان-اکریلات/نانو خاک رس و ارزیابی خواص فیزیکی و مکانیکی نمونه‌‌های حاصل می‌باشد. از دیگر اهداف این پروژه ساخت کامپوزیت‌‌های یورتان-اکریلات بر پایه الیاف طبیعی است که به منظور بهبود خواص حرارتی و جذب آب این نوع الیاف انجام می‌پذیرد و ضمن آن اثر اصلاح سطح الیاف بر خواص کامپوزیت‌ها و در انتها اثر وجود نانو ذرات نیز بر خواص کامپوزیت‌‌های مذکور مورد بررسی قرار می‌گیرد.
این پایان نامه مشتمل بر پنج فصل می‌باشد. در فصل اول مقدمه و برخی تعاریف آورده شده است. فصل دوم، به مرور مطالعات انجام شده در زمینه تحقیق اختصاص یافته است. در فصل سوم مواد و روش‌های انجام تحقیق معرفی شده است. در فصل چهارم نتایج بدست آمده از آزمون‌های صورت گرفته و تفسیر نتایج آورده شده است. نتیجه‌گیری نهایی و پیشنهادهایی جهت ادامه کار نیز در فصل پنجم آورده شده است.

۲ فصل دوم : مروری بر مطالعات انجام شده

۲-۱-فاز پیوسته (زمینه/ماتریس)
در بعضی از خواص کامپوزیت نظیر استحکام و مدول عرضی۳، خواص برشی و خواص در حالت فشاری زمینه نقش اساسی داشته اما نقش کمی در تحمل نیروهای کششی ایفا مینماید. سهل و یا دشوار بودن فرآیندپذیری و وجود نقص۴ در یک کامپوزیت، وابستگی زیادی به خصوصیات فیزیکی زمینه مانند گرانروی، نقطه ذوب و دمای پخت آن دارد[۲۲]. انواع زمینههای پلیمری مورد استفاده در صنعت کامپوزیت بر دو دسته‌گرمانرم و گرماسخت تقسیم بندی میشوند.
۲-۱-۱-رزین یورتان-اکریلات۵
پلی یورتان‌ها کو پلیمرهایی با خواص و ساختار ویژه هستند که زنجیر مولکولی آن‌ها شامل بخش‌‌های سخت۶ متناوب حاوی ایزوسیانات‌ها و انتهای زنجیر و بخش نرم۷ تشکیل شده از پلی استر یا پلی اتر
پلی اُل‌ها می‌باشد. بخش‌های سخت موجب سختی پلی یورتان شده، در حالی که بخش‌‌های نرم موجب انعطاف پذیری آن‌ها می‌شوند. بنابراین با تغییرات میزان و نوع بخش‌‌های نرم و سخت چندین نوع پلی یورتان با ساختار و خواص فیزیکی مکانیکی متفاوت به دست می‌آید که دارای کاربردهای وسیعی در تهیه
پوشش‌ها، چسب‌ها هستند. پلی یورتان خواص بسیار خوبی همچون مقاومت در برابر سایش و روغن‌ها، انعطاف‌پذیری، سختی و همانند این‌ها را دارا می‌باشند. پلی یورتان از واکنش الکل‌ها و ایزوسیانات‌ها تهیه می‌شوند که در نهایت با افزودن گروه اکریلاتی پلی یورتان-اکریلات‌ها ساخته می‌شوند. پلی یورتان‌-‌اکریلات نشان داده شده در شکل ۲-۱ متشکل از ایزوفورن دی‌ایزوسیانات۸، پلی‌اتیلن‌گلایکول۹ و هیدروکسی اتیل متیل اکریلات۱۰ می‌باشد[۲۳].

شکل ۲-۱ : شمایی از نحوه‌ی تهیه رزین یورتان-اکریلات]۲۳[
۲-۱-۲-رزینهای پلی استر غیر اشباع۱۱
رزین پلیاستر غیراشباع پرمصرفترین رزین در صنعت کامپوزیت میباشد. زنجیر اصلی پلیمری این رزین دارای اتصالات استری می‌باشد که از واکنش تراکمی یک یا چند الکل دو یا چند عاملی (مانند اتیلن گلایکول CH2-CH2-OH HO- ، پروپیلن گلایکول) با اسید یک یا چند عاملی (مانند فتالیک اسید یا انیدرید، مالئیک و فوماریک اسید) تهیه میشوند[۲۴]. شمایی از نحوه‌ی تهیه رزین پلی استر در شکل ۲-۲ نشان داده شده است.

شکل ۲-۲ : شمایی از نحوه‌ی تهیه رزین پلی استر]۲۴[
۲-۱-۳-رزینهای وینیل استر
وینیل استرها محصول واکنش رزین های اپوکسی با اسیدهای غیر اشباع اتیلنی می‌باشند، بجز حالات خاص، معمولاً رزین‌های وینیل استر دارای انتهای غیر اشباع می‌باشند. رزین های وینیل استر خواص چقرمگی و مقاومت شیمیایی بسیار بهتری نسبت به رزین‌های پلی استر دارند. زنجیر اصلی اپوکسی سازنده وینیل استر، موجب ایجاد چقرمگی و ازدیاد طول کششی بالاتر می‌شود. جرم مولکولی رزین‌های وینیل استر به انتخاب نوع اپوکسی بکار رفته بستگی دارد. به این دلیل، استحکام کششی، ازدیاد طول، نقطه نرمی و واکنش‌پذیری رزین نهایی توسط جرم مولکولی و ساختار اولیه تعیین می‌شود. این موضوع، این امکان را به وجود می‌آورد که برای کاربردهای مختلف خواص مختلف طراحی شود. رزین‌های وینیل استر در مقایسه با پلی استرهای غیر اشباع مقاومت شیمیایی خوبی دارند. بخشی از این ویژگی مربوط به عدم حضور پیوندهای استری در زنجیره اپوکسی می‌باشد. اتصالات اجزای پلیمر، توسط پیوندهای فنیل استری انجام می‌گیرد. این اتصالات در مقایسه با اتصالات استری در برابر اکثر محیط‌های شیمیایی به ویژه در شرایط قلیایی شدید،
مقاوم‌تر هستند. اتصال استری تنها در انتهای زنجیر وینیل استر وجود دارد. این امر حملات عوامل شیمیایی را به حداقل می‌رساند. ساختار شیمیایی رزین وینیل استر در شکل ۲-۳ نشان داده شده است.

شکل ۲-۳ :
شمایی از نحوه‌ی تهیه رزین وینیل استر
۲-۲-الیاف
به طور کلی نقش الیاف در مواد کامپوزیتی تحمل عمده بار وارده بر ساختار کامپوزیت می‌باشد، از این لحاظ از اصلی‌ترین اجزاء مواد کامپوزیتی بشمار می‌رود که بالاترین درصد حجمی را در قبال سایر اجزای کامپوزیت به خود اختصاص می‌دهد. بسیاری از خواص کامپوزیت از جمله استحکام کششی، استحکام فشاری، مدول کششی، جرم مخصوص، خواص الکتریکی و حرارتی تحت تأثیر مستقیم نوع الیاف، میزان و چگونگی آرایش آن‌ها در ساختار قطعه است. الیاف مورد استفاده در صنعت کامپوزیتی را
می‌توان به دو دسته الیاف طبیعی و سنتزی طبقه بندی نمود، که الیاف طبیعی نیز بسته به منشاء آن‌ها ممکن است گیاهی، حیوانی و یا از منابع معدنی باشند. شماتیک کلی الیاف طبیعی در شکل ۲-۴ نشان داده شده است[۲۵].

شکل ۲-۴ : شماتیک کلی الیاف طبیعی[۲۵]
الیاف گیاهی به چندین دسته از جمله الیاف چوب، الیاف پوست درختان۱۲، الیاف برگ درختان۱۳ و الیاف دانه‌ای۱۴ تقسیم‌بندی می‌شوند. الیاف پوست درختان شامل مرکز چوبی احاطه شده با ساقه می‌باشند و درون ساقه دسته‌های الیاف قرار گرفته است که هر کدام از این‌ها شامل فیلامنت‌هایی می‌باشند که از سلولز و همی سلولز که توسط ماتریس لیگنین یا پکتین به همدیگر پیوند یافته‌اند تشکیل شده‌اند. مثالی از این دسته، الیاف فلاکس۱۵ می‌باشد که در کامپوزیت‌ها جایگزین الیاف شیشه شده است. خواص الیاف فلاکس در مقایسه با الیاف شیشه در جدول ۲-۱ نشان داده شده است[۲۵].
۲-۲-۱-ویژگی‌های الیاف طبیعی
الف-مزایای الیاف طبیعی[۲۶]
i. دانسیته کم الیاف که سبب مقاومت ویژه و سفتی بالای آن‌ها نسبت به الیاف شیشه می‌شود.
ii. منابع تجدید پذیر دارند و تولید آن‌ها به انرژی کمی احتیاج دارد و سبب کاهش در انتشار مقدار CO2 می‌شوند.
iii. تولید این الیاف احتیاج به سرمایه‌گذاری‌‌های کلان ندارد و این برای کشور‌هایی که از نظر اقتصادی ضعیف می‌باشند، مناسب است.
iv. این الیاف غیر سمی بوده و ایجاد حساسیت‌های پوستی نمی‌نمایند.
v. خواص عایق سازی حرارتی و صوتی دارند.
vi. مدول یانگ بالا و خواص کششی خوب دارند.

جدول ۲-۱ : خواص الیاف فلاکس در مقایسه با الیاف شیشه[۲۵]
خواص
الیاف شیشه
الیاف فلاکس
قطر (µm)
14-8
80-10
دانسیته (g/cm3)
56/2
4/1
مدول الاستیک( (GPa
76
70-50
استحکام کششی(GPa)
5/2-4/1
5/1-5/0
ازدیاد طول در نقطه شکست(درصد)
۲/۳-۸/۱
۳-۲
مدول الاستیک ویژه(GPa/ per g/cm3)
30
50-36
استحکام کششی ویژه(GPa/ per g/cm3)
1-5/0
1/1-4/0

ب-معایب الیاف طبیعی[۲۶]
i. خواص مقاومتی کمتری نسبت به الیاف دیگر دارند، به خصوص دارای مقاومت ضربه کم و مقاومت حرارتی و همچنین پایداری ابعادی پایین می‌باشند.
ii. این الیاف با توجه به تأثیر عوامل محیطی مانند هوا و همچنین سن گیاه و .. دارای کیفیت‌‌های متغیر می‌باشند که غیر قابل پیش بینی است.
iii. طبیعت آب دوست الیاف، سبب تورم۱۶ آن‌ها می‌شود.
iv. مقاومت ضعیفی در برابر آتش دارند.
v. بیشینه دمای فرآیندی این الیاف محدود می‌باشد.
۲-۲-۲-روش‌های اصلاح الیاف طبیعی
همان‌طور که اشاره شد الیاف طبیعی دارای مقاومت کم و ضعیف در برابر ضربه و رطوبت می‌باشند، که این معایب تا حدودی با روش‌های اصلاح الیاف قابل رفع می‌باشد و با اصلاح سطح الیاف چسبندگی بین ماتریس و الیاف افزایش پیدا

این فایل ها تست های آزمون آزمایشی کارشناسی ارشد انتشارات سنجش و دانش می باشد که با پاسخ های کاملا” تشریحی ارائه می شود. شما می توانید از منوی جستجو (بالای سایت سمت چپ ) تست های دروس دیگر را پیدا کرده و رایگان دانلود کنید