بررسی رفتارشبکه¬ای‌شدن نانوچندسازه های برپایه اپوکسی حاوی نانوذره های سیلیکا اصلاحشده با گروه های پرشاخه آمین
محورهای موضوعی : شیمی تجزیهزهرا حاتمی رامشه 1 * , خدیجه دیده بان 2 * , محمدرضا صائب 3
1 - دانشجوی دکتری گروه شیمی، دانشگاه پیام نور، تهران، ایران.
2 - استاد تمام گروه شیمی، دانشگاه پیام نور، تهران، ایران.
3 - استاد تمام گروه رزین و افزودنی‌ها، پژوهشگاه رنگ، تهران، ایران.
کلید واژه: اپوکسی, نانوسیلیکا¬, شبکه¬ای‌شدن, اصلاح سطح, نانوچندسازه.,
چکیده مقاله :
این مطالعه به بررسی تاثیر افزایش نانوذرههای سیلیکای عامل‌دارشده بر رفتار پخت نانوچندسازه‌های اپوکسی می‌پردازد. نانوسیلیکا ابتدا با روش استوبر تهیه، و سپس از راه پیوند گروههای هیدروکسیل سطح به سیلان، اصلاح شد. در ادامه آزمایشها، گلوتاردیآلدهید به گروههای سیلان سطح نانوذرههای اصلاحشده متصل شد. در مرحله بعدی گروههای عاملی پلیاتیلنایمین پرشاخه به سطح نانوذرهها متصل شد. نانوذرههای بهدست‌آمده با میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) مشخصهیابی و پیوند گروههای عاملی با سطح با طیفسنجی فروسرخ تبدیل فوریه (FTIR) و نیز تجزیه وزن‌سنجی گرمایی (TGA) بررسی شد. نتیجهها نشاندهنده اصلاح موفقیتآمیز سطح نانوذرهها و نیز تولید نانوذرههای سیلیکا با ابعاد حدود 50 و 70 نانومتر در حالت خالص و اصلاحشده بوده است. همچنین، افزایش قابل‌توجهی در گرمای واکنش پخت با افزودن نانوسیلیکا اصلاحشده با پلیاتیلنایمین مشاهده شد که نشان داد گروههای آمین و هیدروکسیل در سیلیکای اصلاحشده، بهصورت موثر در واکنش پخت شرکت کرده و موجب آسانی پخت اپوکسی/آمین شدند. افزودن 1/0 درصد وزنی نانوسیلیکا خالص و اصلاح سطحشده، موجب افزایش دمای انتقال شیشهای اپوکسی شد. این افزایش برای سامانه اپوکسی حاوی نانوذرههای سیلیکا اصلاحشده با پلیاتیلنایمین (PEI) از 82 به 7/84 درجه سلسیوس بوده است. این مطالعه نشان می‌دهد که نانوذرههای سیلیکا اصلاحشده می‌توانند بهبود قابل‌توجهی در ویژگی گرمایی و مکانیکی نانوچندسازه‌های اپوکسی ارائه دهند. این یافته‌ها بهبود فرایندهای پخت و افزایش کارایی مواد نانوچندسازه‌ای را نشان می‌دهند.
The aim of this research was to study the effect of incorporation of functionalized silica nanoparticles on the curing behavior of the epoxy-based nanocomposites. Thus, first nanosilica was prepared by using Stober method and then modified by attaching surface hydroxyl groups to silane. Glutardialdehyde was also attached as well. It was followed by attachment of highly branched polyethyleneimine (PEI) to the surface of the nanoparticles. The resulting structures were characterized using transmission electron microscopy (TEM), Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy, and thermogravimetric analysis (TGA). The results showed that spherical silica nanoparticles with size of 50 (bare) and 70 nm (surface-modified) were successfully synthesized. The amine and hydroxyl groups in modified silica structures actively participated in curing process and facilitated the curing mechanism of epoxy/amine system. Addition of silane-modified nanoparticles increased the activation energy, while application of PEI-modified nanosilica improved the density of the epoxy network. Due to the increase of viscosity of the system, the activation energy of epoxy system was also increased. Addition of 0.1 wt.% pure and surface-modified nanosilica also increased the glass transition temperature values from 82 to 84.7 ºC for PEI-modified silica nanoparticles. This study showed that modified silica nanoparticles could provide significant improvement in thermal and mechanical properties of epoxy nanocomposites. These findings showed the improvement of the baking processes and increase the efficiency of nanocomposite materials.
[1] Ogrodowska K, Urbański M. Nanosilica modification of epoxy matrix in hybrid basalt - carbon FRP bars - impact on microstructure and mechanical properties. Materials. 2023;16(5):1912. doi: org/10.3390/ma16051912
[2] Sprenger S. Nanosilica-toughened epoxy resins. Polymers. 2020;12(8):1777. doi: org/10.3390/polym12081777
[3] Li ZX, Xiang YS, Ran Y. Well-dispersed silica nanoparticle-reinforced epoxy vitrimer composites prepared by dynamic crosslinking. Journal of Materials Science. 2023;58:17470-82. doi: org/10.1007/s10853-023-09126-7
[4] Rudra M, et al. Existence of nearest-neighbor and variable range hopping in Pr2ZnMnO6 oxygen-intercalated pseudocapacitor electrode. Materials Chemistry and Physics. 2021;258:123907. doi: org/10.1016/j.matchemphys.2020.123907
[5] Sethi SM, Singh G, Sharma R, Kaith BS, Sharma N, et al. Fluorescent hydrogel of chitosan and gelatin cross‐linked with maleic acid for optical detection of heavy metals. Journal of Applied Polymer Science. 2022;139(15):51941. doi: 10.1002/app.51941
[6] Imran M, Mahendran M. Fire behaviour of CFRP strengthened short SHS steel columns with and without insulation. Composites Part B: Engineering. 2020;193:108016. doi:10.1016/j.compositesb.2020.108016
[7] Rosso P, Ye L. Epoxy/Silica Nanocomposites: Nanoparticle‐Induced Cure Kinetics and Microstructure. Macromolecular Rapid Communications. 2007;28(1):121-6. doi: org/10.1002/marc.200600588
[8] Yang CF, Wang LF, Wu SM, Su CC. Characterization and curing kinetics of epoxy/silica nano-hybrids. Materials. 2015;8:7032-40. doi.org/10.3390/ma8105357
[9] Beganskiene A, Sirutkaitis V, Kurtinaitiene M, Juskenas R, Kareiva A. FTIR, TEM and NMR investigations of Stöber silica nanoparticles. Materials Science. 2004;10:287-90.
[10] Tari F, Zarrinpashne S, Ruzbehani A, Shekarriz M. Modified and systematic synthesis of zinc oxide‐silica composite nanoparticles with optimum surface area as a proper H2S sorbent. Canadian Journal of Chemical Engineering. 2016;95:737-43. doi: org/10.1002/cjce.22697
[11] Jouyandeh M, Ganjali MR, Seidi F, Xiao H, Saeb MR. Nonisothermal cure kinetics of epoxy/polyvinylpyrrolidone functionalized superparamagnetic nano-Fe3O4 composites: Effect of Zn and Mn doping. Journal of Composites Science. 2020;4(2):55. doi: 10. 3390/jcs4020055
[12] Saeb MR, Najafi F, Bakhshandeh E, Khonakdar HA, Mostafaiyan M, Simon F, et al.Scheffler C. Highly curable epoxy/MWCNTs nanocomposites: An effective approach to functionalization of carbon nanotubes. Chemical Engineering Journal. 2015;259:117-25. doi: org/10.1016/j.cej.2014.07.116
[13] Saeb MR, Rastin H, Nonahal M, Ghaffari M, Jannesari A, Formela K. Cure kinetics of epoxy/MWCNTs nanocomposites: Nonisothermal calorimetric and rheokinetic techniques. Journal of Applied Polymer Science. 2017;134:45221-31. doi: org/10.1002/app.45221
[14] Pramanik M, Fowler EW, Rawlins JW. Cure kinetics of several epoxy–amine systems at ambient and high temperatures. Journal of Coating Technology Research. 2014;11:143-57. doi.org/10.1007/s11998-013-9565-4
[15] Atousa A, Shojaei A, Bagheri R. Cure kinetics of nanodiamond-filled epoxy resin: Influence of nanodiamond surface functionality. Industrial & Engineering Chemistry Research. 2015;54(36):8954-8962. doi: 10.1021/acs.iecr.5b01858