چكيده:
الياف كربن از لحاظ ساختماني متشكل از كربن هاي گرافيتي هستند كه از لايههاي موازي تشكيل شدهاند و در آنها اتمهاي كربن به صورت شش وجهيهاي منظم قرار گرفتهاند. به اين لايهها صفحات بنيادي گفته ميشود. صفحات بنيادي با آرايش يافتگي خوب كه از مشخصات الياف كربن هستند امكان تر شوندگي كمي را در سطح دارند زيرا با افزايش آرايش يافتگي و در نتيجه افزايش مدول سطح صاف تر شده و در نتيجه از درگيري مكانيكي سطح الياف با زمينه كاسته ميشود و اين كاهش استحكام برشي در بين لايههاي كامپوزيت را موجب ميشود كه از عيوب الياف ميباشد. لذا براي برطرف كردن مشكل فوق در الياف كربن از تكنيكهاي مرسوم به روشهاي اصلاح سطح استفاده ميكنيم. روشهاي اصلاح سطح شامل ازدياد گروههاي شيميايي فعال در سطح يا زبر كردن سطح الياف اند.

مقدمه:

پيشرفت الياف محكم و سفت كربن و استفاده از آن در تقويت ساختارهاي سبك وزن يكي از بهترين دستاوردهاي تكنولوژي در سالهاي گذشته است و حجم توليدات حاصل از آن دركاربردهاي جديد افزايش يافته است [۲]. لذا براي بهبود كارايي كامپوزيت نياز به شناختن كليه خواص الياف مي باشد.كارايي كامپوزيت بستگي شديد به ميزان چسبندگي بين الياف و فاز پيوند دهنده دارد كه اين موضوع نيز به خواص سطح الياف بر مي گردد، بنابراين تعداد روشهاي اصلاح سطح نيز متفاوت و رو به افزايش است. كشف اين موضوع كه اكسايش اصل دوده باعث تغيير در ماهيت سطح از حالت آبگريز به آبدوست و نتيجاً افزايش چسبندگي به مواد پليمري ميشود خود عاملي براي ايجاد توانايي مشابه در الياف كربن شد كه متداولترين آن اكسايش سطح است.

عنوان مطالب

چكيده………………………………………………………………………  1
مقدمه………………………………………………………………………  2

برای دانلود رایگان قسمت های بیشتراز فایل به انتهای مطلب مراجعه کنید

فصل اول: كليات

پيشرفت الياف محكم و سفت كربن و استفاده از آن در تقويت ساختارهاي سبك وزن يكي از بهترين دستاوردهاي تكنولوژي در سالهاي گذشته است و حجم توليدات حاصل از آن دركاربردهاي جديد افزايش يافته است [۲]. لذا براي بهبود كارايي كامپوزيت نياز به شناختن كليه خواص الياف مي باشد.كارايي كامپوزيت بستگي شديد به ميزان چسبندگي بين الياف و فاز پيوند دهنده دارد كه اين موضوع نيز به خواص سطح الياف بر مي گردد، بنابراين تعداد روشهاي اصلاح سطح نيز متفاوت و رو به افزايش است. كشف اين موضوع كه اكسايش اصل دوده باعث تغيير در ماهيت سطح از حالت آبگريز به آبدوست و نتيجاً افزايش چسبندگي به مواد پليمري ميشود خود عاملي براي ايجاد توانايي مشابه در الياف كربن شد كه متداولترين آن اكسايش سطح است. بر حسب اكسايشي يا غير اكسايشي بودن عمليات اصلاح موارد زير مهم مي باشد :
۱- انجام اصلاح در فاز گازي يا فاز مايع
۲- اصلاح در دماي نسبتا پايين (كمتر از ۱۵۰ درجه سانتي گراد) يا در دماي بسيار بالا به عنوان مثال بيش از ۱۴۰۰ درجه سانتي گراد
۳-اصلاح از طريق روشهاي شيميايي والكتروشيميايي يا ديگر روشها
۴-اينكه در اثر اصلاح بر وزن الياف اضافه يا از وزن آن كاسته مي شود
۱-۲- روشهاي اصلاح سطحي
بر طبق يك تقسيم بندي اصلاح سطح بر حسب اكسايشي بودن به روشهاي زير تقسيم بندي ميشود [۳]. اكسايش در برخي دماها سبب تخريب الياف و كاهش وزن و كاهش استحكام به وسيلهاي ايجاد حفره در سطح ميشود.
۱-۲-۱- اصلاح سطح از طريق اكسايش در پلاسما
جهت جلوگيري از تخريب سطح الياف در دماهاي بالا كه در اكسايش فاز گازي صورت مي پذيرد مي­توان اصلاح سطح الياف را در دماهاي پايين به وسيله پلاسمايي كه اكسيژن يا آمونياك آن تحريك شده انجام داد كه در اين صورت حفرههاي ايجاد شده در سطح نيز كمتر خواهد بود. در اصلاح سطح از طريق پلاسما از گازهاي 3Ar ،N2 ، NH و هوا استفاده ميشود كه هوا گروههاي COOH– وOH­ روي الياف بر پايه PAN و OH– روي الياف بر پايه قير قرار ميدهند[۷] 2 Oنيز گروههاي ­3CO­ و COOH- و COOX و-OH و لاكتن روي سطح قرار مي دهد. 3 NH نيز آمينهاي آروماتيك و آليفاتيك( 2 CNH­) و بعضي ايمينها (CN=NH- ) را قرار مي دهد و Ar مكانهاي فعال را افزايش مي دهد . [۷]
۱-۲-۲- اصلاح سطح از طريق اكسايش در فاز مايع
اصلاح سطح از اين طريق از روش هاي شيميايي و الكتروشيميايي صورت مي پذيرد .
الكتروليت در اين روش ممكن است شامل 3 H NO و 4KMnO و 4H2so وغيره باشد. دانسيته
جريان الكتريكي معمولا بين2 A/M10­15/0 و پتانسيل بين V20­2 ومدت زمان اصلاح از min 20
-1 متغيير است . اين اصلاح از اكسايش گازي ملايم تر بوده و عموما موجب تخريب بيش از حد الياف نمي شود . [۵] بطور كلي اثرات اصلاح بر روي سطح الياف را مي توان در موارد زير خلاصه كرد:[۷]
۱- تميز كردن سطح الياف
۲-حفظ لايه سطحي الياف به وسيله فرآيند micro­etching
۳-نفوذ به چند لايه مولكولي روي سطح الياف (حدودnm10) و بهبود سطح از طريق ايجاد يك شيمي

۱-۱- اصلاح سطحي………………………………………………………  4
۱-۲- روشهاي اصلاح سطحي……………………………………………   4
۱-۲-۱- اصلاح سطح از طريق اكسايش در پلاسما ……………………  5
۱-۲-۲- اصلاح سطح از طريق اكسايش در فاز مايع …………………… 5

 فصل دوم: مروري بر مطالعات انجام شده  

الياف كربن به عنوان تقويت كننده اصلي در ساخت مركب عالي و پيشرفته بكار مي روند. افزايش استفاده از الياف كربن به دليل كاربرد وسيع آنها در اجزا ساختماني قطعات تكنولوژيك مي باشد. اين الياف مجموعه اي از مزيتهاي ديناميك و استاتيك را در كاربردهاي مختلف از خودشان نشان دادهاند.
استحكام و سختي بالا، وزن كم، مقاومت خستگي بهبود يافته، اتلاف ارتعاشات، مقاومت در برابر خوردگي، مقاومت سايش و پارگي عالي، انبساط حرارتي كم و هدايت الكتريكي و حرارتي كم تر از فلزات از جمله دلايل انتخاب اين مواد جهت جايگزين كردن با فلزات از جمله دلايل انتخاب اين مواد جهت جايگزين كردن با فلزات و برخي آلياژهاي خاص گرديده است.
الياف كربن با پيروليز كنترل شده يك پيش شكل ليفي اوليه۱ از جنس قيرهاي مختلف (نفتي يا ذغال سنگ) و يا پلي آكريلو نيتريل بدست مي آيد ولي اغلب از پلي آكريلو نيتريل بدين منظور استفاده مي گردد.
فوايد و كاربرد الياف كربن بستگي به نوع استفاده آن به عنوان تقويت كننده در مواد مختلف مانند رزينهاي مصنوعي گرما سخت مانند اپوكسيها،بيس مال ايميد،پليايميدها،استرهاي وينيلي و استفاده كمي نيز در فلزات، سراميكها و زمينههاي شيشهاي دارد و استفاده آن در گرما نرمها در حال توسعه است. الياف كربن معمولا به موادي اطلاق مي گردد كه عمليات حرارتي در دماي بين ۱۰۰۰الي ۳۰۰۰ درجه سانتي گراد داشته و حاوي ۹۲ تا ۹|۹۹ درصد كربن در ساختار خود هستند.
۲-۱-۱- خواص الياف كربن :
الياف كربن اليافي بسيار نازك تر از موي انسان مي باشد كه قطر آن ۱۰-۶ ميكرومتر است.
الياف كربن از نظر شيميايي شامل %۹|۹۹ كربن خالص است . كامپوزيتهاي پيشرفته تا %۶۰ حجمي حاوي الياف كربناند اگر كامپوزيتهاي پيشرفته با كامپوزيتهاي الياف شيشه مقايسه شوند از نقطه نظرسبكي و سفتي بالا به مراتب عالي ترند اما استحكام مشابهي دارند [۹].
ضريب انبساط حرارتي منفي يكي از خصوصيات غير معمول الياف كربن است كه منفي بودن آن با ازدياد مدول بيشتر مي گردد . ضريب هدايت گرمايي الياف كربن برابر و يا بيشتر از مس و ضريب هدايت الكتريكي آنها حدود ۵۰|۱ برابر مس مي باشد . آرايش شبيه به لايههاي پياز كه در سطح الياف كربن با مدول بالا بوجود ميآيد باعث ايجاد پيوند ضعيف بين الياف و زمينه مي گردد .صفحات بنيادي با آرايش خوب كه مشخصه الياف با مدول بالا مي باشند قابليت تر شوندگي كمي دارند زيرا هر چه مدول بالاتر رود سطح ليف يا نوارها صاف تر مي شوند و در نتيجه از درگير شدن مكانيكي با زمينه كم مي شود. آرايش بالاي لايههاي سطحي باعث كاهش استحكام برشي شده و نيز تأثير متقابل با گره خوردن اجزاي يك ليف نيز كاهش مي يابد كه اين خود باعث كاهش استحكام فشاري است . الياف كربن تحت تاثير رطوبت هوا ، حلالها ، بازها و اسيدهاي ضعيف در دماي محيط قرار نمي گيرند اما در دماهاي بالا مانند co
۴۵۰- ۳۵۰ امكان ظهور اكسيداسيون مي تواند مشكل آفرين باشد. الياف كربن تهيه شده از پان در صورتي كه مدول كمتر از Gpa۳۰۰ داشته باشد بالاترين كرنش را در شكست دارند . با توجه به شكننده بودن كامپوزيتها استفاده از الياف با كرنش در شكست زياد بسيار حائز اهميت است . از عمده ترين مزاياي الياف كربن نسبت بسيار زياد استحكام به وزن ، نسبت بالاي مدول كششي به وزن ، استحكام بالاي خستگي ، ضريب انبساط حرارتي پايين و مقاومت بالا در برابر خوردگي و از معايب الياف كربن شكننده بودن ، هادي الكتريكي بودن ، كرنش كم در شكست و قيمت بالاست [۱] هدايت الكتريكي و بالاي گرافيت در جهت لايهها به علت تحرك الكترونهايπ در بين لايههاست.
۲-۳-۲- ساختار الياف كربن :
از لحاظ ساختاري اين الياف متشكل از كربنهاي گرافيتي شكل مي باشد كه از لايههاي موازي تشكيل شده است و اتمهاي كربن در آن به صورت شش وجهي هاي منظم قرار گرفته اند صفحات بنيادي بوسيلهي نيروي ضعيف واندروالسي در كنار هم قرار گرفته اند در حالي كه پيوند محكم كوالانسي بين اتمهاي كربن موجود در هر لايه وجود دارد[۱]
از نظر زير ساختاري آرايش صفحات بنيادي در جهت طولي الياف تعيين كننده مدول بوده در حالي كه ساختار طولي و شعاعي و تركهاي ريز تعيين كننده استحكام مي باشند و نيز آرايش صفحات بنيادين در سطح الياف بر خاصيت تر شوندگي الياف و استحكام پيوندهاي ايجاد شده بين الياف و ماتريس مؤثر است.
مطالعات TEM نشان داده است كه ساختمان الياف كربن شبيه نوار يا روبانها در هم تاب خورده مي باشند كه هر كدام از ۱۶تا۳۰ لايه تشكيل شده است .
ساختار شعاعي الياف به طور كلي شبيه به لايه هاي پياز و با پيچ و خم فراوان مي باشد . روبانها در جهت شعاعي به صورت اتفاقي آرايش يافته اند كه اين آرايش نزديك ديواره منظم تر و شبيه لايههاي پياز مي باشند[۱].
۲-۱-۳- روشهاي توليد الياف كربن
الياف كربن با پيروليز كنترل شده يك پيش شكل آلي ليفي شكل تهيه مي گردد. در مقياس تجاري ، اين الياف بر پايه رايون ، قير (نفتي يا ذغال سنگي) و پلي اكريلو نيتريل تهيه مي گردد . خواص مكانيكي محصول بسته به نوع مواد اوليه و شرايط فرآيند مي توانند متفاوت باشد زيرا اين عوامل تعيين كننده خلوص و جهت يافتگي كريستالها مي باشد . [۱]
قابليت مواد بسياري براي توليد الياف كربن بررسي گرديده است كه فاكتور اصلي در اين ارزيابي افزايش ميزان بازده كربونيزاسيون و كاهش قيمت الياف بوده است اين مواد عبارتاند از تركيبات غيرهتروسيكل معطر مانند فنوليكها ، پليايميدها و پلي بنزايميدازولها و تركيبات آليفاتيك مانند پلي پروپلين يا پلي وينيل كلرايد ، مواد قيري ، پلي متيل وينيل كتونها ، پلي وينيل الكلها و پلي وينيل استاتها . برخي از اين مواد آروماتيك و پليمرهاي هترو سيكليك بازده بالا و خواص خوبي نشان دادهاند ولي باز هم در مقايسه با پان و قير قابل مقايسه نيستند . الياف تهييه شده از رايون ، پان يا قير داراي خواص كاربردها ، مزيتهاي اقتصادي ، شيمي و تكنولوژي فرآيند مختلف مي باشد ولي در همه آنها موارد زير مشترك مي باشد :
۱- اكستروژن محلول يا مذاب پليمر به منظور پيش شكل ليفي اوليه مناسب
۲- پايدارسازي (اكسيداسيون اوليه يا گرما سخت نمودن )در دماي نسبتا پايين( ۴۵۰-۲۰۰) معمولا در هوا به منظور تبديل ماده اوليه به مادهاي غير قابل ذوب و پايدار در دماهاي فرآيند بالاتر
۳- كربونيزاسيون در اتمسفر خنثي (معمولا نيتروژن خالص ) در دماي ۱۰۰۰تا ۲۰۰۰ درجه سانتي گراد به منظور افزايش ميزان كربن به ۹۹-۸۵ درصد
۴- گرافيته كردن در محيط خنثي (آرگون يا نيتروژن ) در دماهاي بالاتر از ۲۵۰۰به منظور افزايش
ميزان كربن براي حصول به ميزان كربن بالاتر از %۹۹ و اصلاح سطح به منظور افزايش چسبندگي به رزين.
اصلاح گرافيته كردن در فرآيند به منظور جدا كردن مراحل انجام شده در دماهاي بالاتر از دماي مرحله كربونيزاسيون استفاده مي گردد ولي در اين فرآيند ساختار ليف حاصل به ساختار سه بعدي و پلي كريستال گرافيتي تبديل نمي شود .
از لحاظ ساختاري اين الياف متشكل از كربنهاي گرافيتي شكل مي باشد كه از لايههاي موازي تشكيل شده است و اتمهاي كربن در آن به صورت شش وجهي هاي منظم قرار گرفته اند صفحات بنيادي بوسيلهي نيروي ضعيف واندروالسي در كنار هم قرار گرفته اند در حالي كه پيوند محكم كوالانسي بين اتمهاي كربن موجود در هر لايه وجود دارد[۱]
از نظر زير ساختاري آرايش صفحات بنيادي در جهت طولي الياف تعيين كننده مدول بوده در حالي كه ساختار طولي و شعاعي و تركهاي ريز تعيين كننده استحكام مي باشند و نيز آرايش صفحات بنيادين در سطح الياف بر خاصيت تر شوندگي الياف و استحكام پيوندهاي ايجاد شده بين الياف و ماتريس مؤثر است.
مطالعات TEM نشان داده است كه ساختمان الياف كربن شبيه نوار يا روبانها در هم تاب خورده مي باشند كه هر كدام از ۱۶تا۳۰ لايه تشكيل شده است .
ساختار شعاعي الياف به طور كلي شبيه به لايه هاي پياز و با پيچ و خم فراوان مي باشد . روبانها در جهت شعاعي به صورت اتفاقي آرايش يافته اند كه اين آرايش نزديك ديواره منظم تر و شبيه لايههاي پياز مي باشند[۱].
۲-۱-۳- روشهاي توليد الياف كربن
الياف كربن با پيروليز كنترل شده يك پيش شكل آلي ليفي شكل تهيه مي گردد. در مقياس تجاري ، اين الياف بر پايه رايون ، قير (نفتي يا ذغال سنگي) و پلي اكريلو نيتريل تهيه مي گردد . خواص مكانيكي محصول بسته به نوع مواد اوليه و شرايط فرآيند مي توانند متفاوت باشد زيرا اين عوامل تعيين كننده خلوص و جهت يافتگي كريستالها مي باشد . [۱]
قابليت مواد بسياري براي توليد الياف كربن بررسي گرديده است كه فاكتور اصلي در اين ارزيابي افزايش ميزان بازده كربونيزاسيون و كاهش قيمت الياف بوده است اين مواد عبارتاند از تركيبات غيرهتروسيكل معطر مانند فنوليكها ، پليايميدها و پلي بنزايميدازولها و تركيبات آليفاتيك مانند پلي پروپلين يا پلي وينيل كلرايد ، مواد قيري ، پلي متيل وينيل كتونها ، پلي وينيل الكلها و پلي وينيل استاتها . برخي از اين مواد آروماتيك و پليمرهاي هترو سيكليك بازده بالا و خواص خوبي نشان دادهاند ولي باز هم در مقايسه با پان و قير قابل مقايسه نيستند . الياف تهييه شده از رايون ، پان يا قير داراي خواص كاربردها ، مزيتهاي اقتصادي ، شيمي و تكنولوژي فرآيند مختلف مي باشد ولي در همه آنها موارد زير مشترك مي باشد :
۱- اكستروژن محلول يا مذاب پليمر به منظور پيش شكل ليفي اوليه مناسب
۲- پايدارسازي (اكسيداسيون اوليه يا گرما سخت نمودن )در دماي نسبتا پايين( ۴۵۰-۲۰۰) معمولا
در هوا به منظور تبديل ماده اوليه به مادهاي غير قابل ذوب و پايدار در دماهاي فرآيند بالاتر
۳- كربونيزاسيون در اتمسفر خنثي (معمولا نيتروژن خالص ) در دماي ۱۰۰۰تا ۲۰۰۰ درجه سانتي گراد به منظور افزايش ميزان كربن به ۹۹-۸۵ درصد
۴- گرافيته كردن در محيط خنثي (آرگون يا نيتروژن ) در دماهاي بالاتر از co
۲۵۰۰به منظور افزايش
ميزان كربن براي حصول به ميزان كربن بالاتر از %۹۹ و اصلاح سطح به منظور افزايش چسبندگي به رزين.
اصلاح گرافيته كردن در فرآيند به منظور جدا كردن مراحل انجام شده در دماهاي بالاتر از دماي مرحله كربونيزاسيون استفاده مي گردد ولي در اين فرآيند ساختار ليف حاصل به ساختار سه بعدي و پلي
كريستال گرافيتي تبديل نمي شود .
در اينجا سه روش اصلي تهيه الياف كربن به اختصار توضيح داده مي شود كه عبارتند از :
۱- تهيه الياف كربن بر پايه رايون
۲- تهيه الياف كربن بر پايه PAN
۳- تهيه الياف كربن بر پايه قير

۲-۱- الياف كربن  ……………………………………………………………. 7
۲-۱-۱- خواص الياف كربن …………………………………………………. 7
۲-۳-۲- ساختار الياف كربن :………………………………………………  8
۲-۱– روشهاي توليد الياف كربن…………………………………………. 9
۲-۱-۳-۲- طرز تهيه الياف كربن بر پايه پان ……………………………..  11
۲-۱-۳-۳- تهيه الياف بر پايه قير………………………………………….  12
۲-۱-۳-۳- تهيه الياف بر پايه قير …………………………………………  12
۲-۴- مواد مركب ……………………………………………………………  14
۲-۲-۱- مواد مركب ليفي ………………………………………………….  15
۲-۴-۲- مواد مركب تقويت شده با الياف كربن و كاربردهاي آن ……….  17
۲-۴-۲-۶- نتايج مهم ……………………………………………………….  24
نتيجه گيري………………………………………………………………….. ۳۲
مراجع ………………………………………………………………………….۳۳.

 

Abstract
Fixed compositions of Polyamide6/NBR/Nanoclay Nanaocomposites were prepared with an internal mixer. Effect of processing conditions (chamber temperature, rotor speed and blending sequences) on mechanical properties (stiffness and toughness) was studied. Taguchi method was used for experiment design and data analysis. XRD results show intercalated structure for all nanocomposites. It is indicated that increasing chamber temperature and rotor speed enhance degree of exfoliation. We find that blending sequence has not much influence on the mechanical properties for PA6/NBR/Nanoclay ternary nanocomposites.



  مقطع کارشناسی ارشد

بلافاصله بعد از پرداخت به ایمیلی که در مرحله بعد وارد میکنید ارسال میشود.


فایل pdf غیر قابل ویرایش

قیمت25000تومان

خرید فایل word

قیمت35000تومان