چکیده:
الیاف کربن از لحاظ ساختمانی متشکل از کربن های گرافیتی هستند که از لایههای موازی تشکیل شدهاند و در آنها اتمهای کربن به صورت شش وجهیهای منظم قرار گرفتهاند. به این لایهها صفحات بنیادی گفته میشود. صفحات بنیادی با آرایش یافتگی خوب که از مشخصات الیاف کربن هستند امکان تر شوندگی کمی را در سطح دارند زیرا با افزایش آرایش یافتگی و در نتیجه افزایش مدول سطح صاف تر شده و در نتیجه از درگیری مکانیکی سطح الیاف با زمینه کاسته میشود و این کاهش استحکام برشی در بین لایههای کامپوزیت را موجب میشود که از عیوب الیاف میباشد. لذا برای برطرف کردن مشکل فوق در الیاف کربن از تکنیکهای مرسوم به روشهای اصلاح سطح استفاده میکنیم. روشهای اصلاح سطح شامل ازدیاد گروههای شیمیایی فعال در سطح یا زبر کردن سطح الیاف اند.

مقدمه:

پیشرفت الیاف محکم و سفت کربن و استفاده از آن در تقویت ساختارهای سبک وزن یکی از بهترین دستاوردهای تکنولوژی در سالهای گذشته است و حجم تولیدات حاصل از آن درکاربردهای جدید افزایش یافته است [۲]. لذا برای بهبود کارایی کامپوزیت نیاز به شناختن کلیه خواص الیاف می باشد.کارایی کامپوزیت بستگی شدید به میزان چسبندگی بین الیاف و فاز پیوند دهنده دارد که این موضوع نیز به خواص سطح الیاف بر می گردد، بنابراین تعداد روشهای اصلاح سطح نیز متفاوت و رو به افزایش است. کشف این موضوع که اکسایش اصل دوده باعث تغییر در ماهیت سطح از حالت آبگریز به آبدوست و نتیجاً افزایش چسبندگی به مواد پلیمری میشود خود عاملی برای ایجاد توانایی مشابه در الیاف کربن شد که متداولترین آن اکسایش سطح است.

عنوان مطالب

چکیده………………………………………………………………………  1
مقدمه………………………………………………………………………  2

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

فصل اول: کلیات

پیشرفت الیاف محکم و سفت کربن و استفاده از آن در تقویت ساختارهای سبک وزن یکی از بهترین دستاوردهای تکنولوژی در سالهای گذشته است و حجم تولیدات حاصل از آن درکاربردهای جدید افزایش یافته است [۲]. لذا برای بهبود کارایی کامپوزیت نیاز به شناختن کلیه خواص الیاف می باشد.کارایی کامپوزیت بستگی شدید به میزان چسبندگی بین الیاف و فاز پیوند دهنده دارد که این موضوع نیز به خواص سطح الیاف بر می گردد، بنابراین تعداد روشهای اصلاح سطح نیز متفاوت و رو به افزایش است. کشف این موضوع که اکسایش اصل دوده باعث تغییر در ماهیت سطح از حالت آبگریز به آبدوست و نتیجاً افزایش چسبندگی به مواد پلیمری میشود خود عاملی برای ایجاد توانایی مشابه در الیاف کربن شد که متداولترین آن اکسایش سطح است. بر حسب اکسایشی یا غیر اکسایشی بودن عملیات اصلاح موارد زیر مهم می باشد :
۱- انجام اصلاح در فاز گازی یا فاز مایع
۲- اصلاح در دمای نسبتا پایین (کمتر از ۱۵۰ درجه سانتی گراد) یا در دمای بسیار بالا به عنوان مثال بیش از ۱۴۰۰ درجه سانتی گراد
۳-اصلاح از طریق روشهای شیمیایی والکتروشیمیایی یا دیگر روشها
۴-اینکه در اثر اصلاح بر وزن الیاف اضافه یا از وزن آن کاسته می شود
۱-۲- روشهای اصلاح سطحی
بر طبق یک تقسیم بندی اصلاح سطح بر حسب اکسایشی بودن به روشهای زیر تقسیم بندی میشود [۳]. اکسایش در برخی دماها سبب تخریب الیاف و کاهش وزن و کاهش استحکام به وسیلهای ایجاد حفره در سطح میشود.
۱-۲-۱- اصلاح سطح از طریق اکسایش در پلاسما
جهت جلوگیری از تخریب سطح الیاف در دماهای بالا که در اکسایش فاز گازی صورت می پذیرد می­توان اصلاح سطح الیاف را در دماهای پایین به وسیله پلاسمایی که اکسیژن یا آمونیاک آن تحریک شده انجام داد که در این صورت حفرههای ایجاد شده در سطح نیز کمتر خواهد بود. در اصلاح سطح از طریق پلاسما از گازهای 3Ar ،N2 ، NH و هوا استفاده میشود که هوا گروههای COOH– وOH­ روی الیاف بر پایه PAN و OH– روی الیاف بر پایه قیر قرار میدهند[۷] 2 Oنیز گروههای ­3CO­ و COOH- و COOX و-OH و لاکتن روی سطح قرار می دهد. 3 NH نیز آمینهای آروماتیک و آلیفاتیک( 2 CNH­) و بعضی ایمینها (CN=NH- ) را قرار می دهد و Ar مکانهای فعال را افزایش می دهد . [۷]
۱-۲-۲- اصلاح سطح از طریق اکسایش در فاز مایع
اصلاح سطح از این طریق از روش های شیمیایی و الکتروشیمیایی صورت می پذیرد .
الکترولیت در این روش ممکن است شامل 3 H NO و 4KMnO و 4H2so وغیره باشد. دانسیته
جریان الکتریکی معمولا بین2 A/M10­15/0 و پتانسیل بین V20­2 ومدت زمان اصلاح از min 20
-1 متغییر است . این اصلاح از اکسایش گازی ملایم تر بوده و عموما موجب تخریب بیش از حد الیاف نمی شود . [۵] بطور کلی اثرات اصلاح بر روی سطح الیاف را می توان در موارد زیر خلاصه کرد:[۷]
۱- تمیز کردن سطح الیاف
۲-حفظ لایه سطحی الیاف به وسیله فرآیند micro­etching
۳-نفوذ به چند لایه مولکولی روی سطح الیاف (حدودnm10) و بهبود سطح از طریق ایجاد یک شیمی

۱-۱- اصلاح سطحی………………………………………………………  4
۱-۲- روشهای اصلاح سطحی……………………………………………   4
۱-۲-۱- اصلاح سطح از طریق اکسایش در پلاسما ……………………  5
۱-۲-۲- اصلاح سطح از طریق اکسایش در فاز مایع …………………… 5

 فصل دوم: مروری بر مطالعات انجام شده  

الیاف کربن به عنوان تقویت کننده اصلی در ساخت مرکب عالی و پیشرفته بکار می روند. افزایش استفاده از الیاف کربن به دلیل کاربرد وسیع آنها در اجزا ساختمانی قطعات تکنولوژیک می باشد. این الیاف مجموعه ای از مزیتهای دینامیک و استاتیک را در کاربردهای مختلف از خودشان نشان دادهاند.
استحکام و سختی بالا، وزن کم، مقاومت خستگی بهبود یافته، اتلاف ارتعاشات، مقاومت در برابر خوردگی، مقاومت سایش و پارگی عالی، انبساط حرارتی کم و هدایت الکتریکی و حرارتی کم تر از فلزات از جمله دلایل انتخاب این مواد جهت جایگزین کردن با فلزات از جمله دلایل انتخاب این مواد جهت جایگزین کردن با فلزات و برخی آلیاژهای خاص گردیده است.
الیاف کربن با پیرولیز کنترل شده یک پیش شکل لیفی اولیه۱ از جنس قیرهای مختلف (نفتی یا ذغال سنگ) و یا پلی آکریلو نیتریل بدست می آید ولی اغلب از پلی آکریلو نیتریل بدین منظور استفاده می گردد.
فواید و کاربرد الیاف کربن بستگی به نوع استفاده آن به عنوان تقویت کننده در مواد مختلف مانند رزینهای مصنوعی گرما سخت مانند اپوکسیها،بیس مال ایمید،پلیایمیدها،استرهای وینیلی و استفاده کمی نیز در فلزات، سرامیکها و زمینههای شیشهای دارد و استفاده آن در گرما نرمها در حال توسعه است. الیاف کربن معمولا به موادی اطلاق می گردد که عملیات حرارتی در دمای بین ۱۰۰۰الی ۳۰۰۰ درجه سانتی گراد داشته و حاوی ۹۲ تا ۹|۹۹ درصد کربن در ساختار خود هستند.
۲-۱-۱- خواص الیاف کربن :
الیاف کربن الیافی بسیار نازک تر از موی انسان می باشد که قطر آن ۱۰-۶ میکرومتر است.
الیاف کربن از نظر شیمیایی شامل %۹|۹۹ کربن خالص است . کامپوزیتهای پیشرفته تا %۶۰ حجمی حاوی الیاف کربناند اگر کامپوزیتهای پیشرفته با کامپوزیتهای الیاف شیشه مقایسه شوند از نقطه نظرسبکی و سفتی بالا به مراتب عالی ترند اما استحکام مشابهی دارند [۹].
ضریب انبساط حرارتی منفی یکی از خصوصیات غیر معمول الیاف کربن است که منفی بودن آن با ازدیاد مدول بیشتر می گردد . ضریب هدایت گرمایی الیاف کربن برابر و یا بیشتر از مس و ضریب هدایت الکتریکی آنها حدود ۵۰|۱ برابر مس می باشد . آرایش شبیه به لایههای پیاز که در سطح الیاف کربن با مدول بالا بوجود میآید باعث ایجاد پیوند ضعیف بین الیاف و زمینه می گردد .صفحات بنیادی با آرایش خوب که مشخصه الیاف با مدول بالا می باشند قابلیت تر شوندگی کمی دارند زیرا هر چه مدول بالاتر رود سطح لیف یا نوارها صاف تر می شوند و در نتیجه از درگیر شدن مکانیکی با زمینه کم می شود. آرایش بالای لایههای سطحی باعث کاهش استحکام برشی شده و نیز تأثیر متقابل با گره خوردن اجزای یک لیف نیز کاهش می یابد که این خود باعث کاهش استحکام فشاری است . الیاف کربن تحت تاثیر رطوبت هوا ، حلالها ، بازها و اسیدهای ضعیف در دمای محیط قرار نمی گیرند اما در دماهای بالا مانند co
۴۵۰- ۳۵۰ امکان ظهور اکسیداسیون می تواند مشکل آفرین باشد. الیاف کربن تهیه شده از پان در صورتی که مدول کمتر از Gpa۳۰۰ داشته باشد بالاترین کرنش را در شکست دارند . با توجه به شکننده بودن کامپوزیتها استفاده از الیاف با کرنش در شکست زیاد بسیار حائز اهمیت است . از عمده ترین مزایای الیاف کربن نسبت بسیار زیاد استحکام به وزن ، نسبت بالای مدول کششی به وزن ، استحکام بالای خستگی ، ضریب انبساط حرارتی پایین و مقاومت بالا در برابر خوردگی و از معایب الیاف کربن شکننده بودن ، هادی الکتریکی بودن ، کرنش کم در شکست و قیمت بالاست [۱] هدایت الکتریکی و بالای گرافیت در جهت لایهها به علت تحرک الکترونهایπ در بین لایههاست.
۲-۳-۲- ساختار الیاف کربن :
از لحاظ ساختاری این الیاف متشکل از کربنهای گرافیتی شکل می باشد که از لایههای موازی تشکیل شده است و اتمهای کربن در آن به صورت شش وجهی های منظم قرار گرفته اند صفحات بنیادی بوسیلهی نیروی ضعیف واندروالسی در کنار هم قرار گرفته اند در حالی که پیوند محکم کوالانسی بین اتمهای کربن موجود در هر لایه وجود دارد[۱]
از نظر زیر ساختاری آرایش صفحات بنیادی در جهت طولی الیاف تعیین کننده مدول بوده در حالی که ساختار طولی و شعاعی و ترکهای ریز تعیین کننده استحکام می باشند و نیز آرایش صفحات بنیادین در سطح الیاف بر خاصیت تر شوندگی الیاف و استحکام پیوندهای ایجاد شده بین الیاف و ماتریس مؤثر است.
مطالعات TEM نشان داده است که ساختمان الیاف کربن شبیه نوار یا روبانها در هم تاب خورده می باشند که هر کدام از ۱۶تا۳۰ لایه تشکیل شده است .
ساختار شعاعی الیاف به طور کلی شبیه به لایه های پیاز و با پیچ و خم فراوان می باشد . روبانها در جهت شعاعی به صورت اتفاقی آرایش یافته اند که این آرایش نزدیک دیواره منظم تر و شبیه لایههای پیاز می باشند[۱].
۲-۱-۳- روشهای تولید الیاف کربن
الیاف کربن با پیرولیز کنترل شده یک پیش شکل آلی لیفی شکل تهیه می گردد. در مقیاس تجاری ، این الیاف بر پایه رایون ، قیر (نفتی یا ذغال سنگی) و پلی اکریلو نیتریل تهیه می گردد . خواص مکانیکی محصول بسته به نوع مواد اولیه و شرایط فرآیند می توانند متفاوت باشد زیرا این عوامل تعیین کننده خلوص و جهت یافتگی کریستالها می باشد . [۱]
قابلیت مواد بسیاری برای تولید الیاف کربن بررسی گردیده است که فاکتور اصلی در این ارزیابی افزایش میزان بازده کربونیزاسیون و کاهش قیمت الیاف بوده است این مواد عبارتاند از ترکیبات غیرهتروسیکل معطر مانند فنولیکها ، پلیایمیدها و پلی بنزایمیدازولها و ترکیبات آلیفاتیک مانند پلی پروپلین یا پلی وینیل کلراید ، مواد قیری ، پلی متیل وینیل کتونها ، پلی وینیل الکلها و پلی وینیل استاتها . برخی از این مواد آروماتیک و پلیمرهای هترو سیکلیک بازده بالا و خواص خوبی نشان دادهاند ولی باز هم در مقایسه با پان و قیر قابل مقایسه نیستند . الیاف تهییه شده از رایون ، پان یا قیر دارای خواص کاربردها ، مزیتهای اقتصادی ، شیمی و تکنولوژی فرآیند مختلف می باشد ولی در همه آنها موارد زیر مشترک می باشد :
۱- اکستروژن محلول یا مذاب پلیمر به منظور پیش شکل لیفی اولیه مناسب
۲- پایدارسازی (اکسیداسیون اولیه یا گرما سخت نمودن )در دمای نسبتا پایین( ۴۵۰-۲۰۰) معمولا در هوا به منظور تبدیل ماده اولیه به مادهای غیر قابل ذوب و پایدار در دماهای فرآیند بالاتر
۳- کربونیزاسیون در اتمسفر خنثی (معمولا نیتروژن خالص ) در دمای ۱۰۰۰تا ۲۰۰۰ درجه سانتی گراد به منظور افزایش میزان کربن به ۹۹-۸۵ درصد
۴- گرافیته کردن در محیط خنثی (آرگون یا نیتروژن ) در دماهای بالاتر از ۲۵۰۰به منظور افزایش
میزان کربن برای حصول به میزان کربن بالاتر از %۹۹ و اصلاح سطح به منظور افزایش چسبندگی به رزین.
اصلاح گرافیته کردن در فرآیند به منظور جدا کردن مراحل انجام شده در دماهای بالاتر از دمای مرحله کربونیزاسیون استفاده می گردد ولی در این فرآیند ساختار لیف حاصل به ساختار سه بعدی و پلی کریستال گرافیتی تبدیل نمی شود .
از لحاظ ساختاری این الیاف متشکل از کربنهای گرافیتی شکل می باشد که از لایههای موازی تشکیل شده است و اتمهای کربن در آن به صورت شش وجهی های منظم قرار گرفته اند صفحات بنیادی بوسیلهی نیروی ضعیف واندروالسی در کنار هم قرار گرفته اند در حالی که پیوند محکم کوالانسی بین اتمهای کربن موجود در هر لایه وجود دارد[۱]
از نظر زیر ساختاری آرایش صفحات بنیادی در جهت طولی الیاف تعیین کننده مدول بوده در حالی که ساختار طولی و شعاعی و ترکهای ریز تعیین کننده استحکام می باشند و نیز آرایش صفحات بنیادین در سطح الیاف بر خاصیت تر شوندگی الیاف و استحکام پیوندهای ایجاد شده بین الیاف و ماتریس مؤثر است.
مطالعات TEM نشان داده است که ساختمان الیاف کربن شبیه نوار یا روبانها در هم تاب خورده می باشند که هر کدام از ۱۶تا۳۰ لایه تشکیل شده است .
ساختار شعاعی الیاف به طور کلی شبیه به لایه های پیاز و با پیچ و خم فراوان می باشد . روبانها در جهت شعاعی به صورت اتفاقی آرایش یافته اند که این آرایش نزدیک دیواره منظم تر و شبیه لایههای پیاز می باشند[۱].
۲-۱-۳- روشهای تولید الیاف کربن
الیاف کربن با پیرولیز کنترل شده یک پیش شکل آلی لیفی شکل تهیه می گردد. در مقیاس تجاری ، این الیاف بر پایه رایون ، قیر (نفتی یا ذغال سنگی) و پلی اکریلو نیتریل تهیه می گردد . خواص مکانیکی محصول بسته به نوع مواد اولیه و شرایط فرآیند می توانند متفاوت باشد زیرا این عوامل تعیین کننده خلوص و جهت یافتگی کریستالها می باشد . [۱]
قابلیت مواد بسیاری برای تولید الیاف کربن بررسی گردیده است که فاکتور اصلی در این ارزیابی افزایش میزان بازده کربونیزاسیون و کاهش قیمت الیاف بوده است این مواد عبارتاند از ترکیبات غیرهتروسیکل معطر مانند فنولیکها ، پلیایمیدها و پلی بنزایمیدازولها و ترکیبات آلیفاتیک مانند پلی پروپلین یا پلی وینیل کلراید ، مواد قیری ، پلی متیل وینیل کتونها ، پلی وینیل الکلها و پلی وینیل استاتها . برخی از این مواد آروماتیک و پلیمرهای هترو سیکلیک بازده بالا و خواص خوبی نشان دادهاند ولی باز هم در مقایسه با پان و قیر قابل مقایسه نیستند . الیاف تهییه شده از رایون ، پان یا قیر دارای خواص کاربردها ، مزیتهای اقتصادی ، شیمی و تکنولوژی فرآیند مختلف می باشد ولی در همه آنها موارد زیر مشترک می باشد :
۱- اکستروژن محلول یا مذاب پلیمر به منظور پیش شکل لیفی اولیه مناسب
۲- پایدارسازی (اکسیداسیون اولیه یا گرما سخت نمودن )در دمای نسبتا پایین( ۴۵۰-۲۰۰) معمولا
در هوا به منظور تبدیل ماده اولیه به مادهای غیر قابل ذوب و پایدار در دماهای فرآیند بالاتر
۳- کربونیزاسیون در اتمسفر خنثی (معمولا نیتروژن خالص ) در دمای ۱۰۰۰تا ۲۰۰۰ درجه سانتی گراد به منظور افزایش میزان کربن به ۹۹-۸۵ درصد
۴- گرافیته کردن در محیط خنثی (آرگون یا نیتروژن ) در دماهای بالاتر از co
۲۵۰۰به منظور افزایش
میزان کربن برای حصول به میزان کربن بالاتر از %۹۹ و اصلاح سطح به منظور افزایش چسبندگی به رزین.
اصلاح گرافیته کردن در فرآیند به منظور جدا کردن مراحل انجام شده در دماهای بالاتر از دمای مرحله کربونیزاسیون استفاده می گردد ولی در این فرآیند ساختار لیف حاصل به ساختار سه بعدی و پلی
کریستال گرافیتی تبدیل نمی شود .
در اینجا سه روش اصلی تهیه الیاف کربن به اختصار توضیح داده می شود که عبارتند از :
۱- تهیه الیاف کربن بر پایه رایون
۲- تهیه الیاف کربن بر پایه PAN
۳- تهیه الیاف کربن بر پایه قیر

۲-۱- الیاف کربن  ……………………………………………………………. 7
۲-۱-۱- خواص الیاف کربن …………………………………………………. 7
۲-۳-۲- ساختار الیاف کربن :………………………………………………  8
۲-۱– روشهای تولید الیاف کربن…………………………………………. 9
۲-۱-۳-۲- طرز تهیه الیاف کربن بر پایه پان ……………………………..  11
۲-۱-۳-۳- تهیه الیاف بر پایه قیر………………………………………….  12
۲-۱-۳-۳- تهیه الیاف بر پایه قیر …………………………………………  12
۲-۴- مواد مرکب ……………………………………………………………  14
۲-۲-۱- مواد مرکب لیفی ………………………………………………….  15
۲-۴-۲- مواد مرکب تقویت شده با الیاف کربن و کاربردهای آن ……….  17
۲-۴-۲-۶- نتایج مهم ……………………………………………………….  24
نتیجه گیری………………………………………………………………….. 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

250,000RIAL – اضافه‌کردن به سبدخرید

خرید فایل word

قیمت35000تومان

350,000RIAL – اضافه‌کردن به سبدخرید