אפיון תכונות של שרפי אפוקסי המכילים ננוצינוריות פחמן

1. שנקר – בי"ס גבוה להנדסה ולעיצוב הפקולטה להנדסה המחלקה להנדסת פלסטיקה אפיון תכונות של שרפי אפוקסי המכילים ננוצינוריות פחמן מאת: שלי שמחה מנחים: דר' אנה דותן ודר' עמוס אופיר פרויקט מפא"ת, יולי 2009

2. פיתוח שיטת פיזור של ננוצינוריות פחמן במטריצת אפוקסי, על ידי יצירת שכבת ביניים על פני שטח הננוצינוריות בשיטת סול-ג'ל ושימוש בחומרים פעילי שטח שונים (סילן ו-POSS) למניעת אגרגציה. MWNTs aggregates MWNTs - Multi Wall Carbon Nanotubes POSS - Polyhedral Oligomeric Silsesquioxane [2, 1] מטרת המחקר

3. - MWNTs - Isopropanol - Titanium (IV) n-butoxide- Pure water אופן ההכנה: 1. ערבוב התערובת באמצעות סטירר מגנטי למשך 48 שעות בטמפ' החדר. 2. ייבוש 3. טיפול תרמי בטמפרטורה גבוהה לדחיסת שכבת הטיטניה שנוצרה. MWNTs surface covered with TiO2 thin film (from Ti(OEt)4 by sol–gel method) יתרונות: תהליך המתבצע בטמפ' החדר, באמצעים פשוטים, באיכות גבוהה וללא פגיעה בשלמות מבנה הננוצינוריות ציפוי פני שטח ננוצינוריות - סול-ג'ל [3-5]

4. ST-MWNTs Silane Aminopropyltriethoxysilane Sol-gel process Surfactant Covalent bonds within matrix Titanium (IV) n-butoxide MWNTs T-MWNTs PT-MWNTs POSS TriSilanolPhenyl POSS [6-9, 3] טיפול פני שטח

5. Titania in organic solvent before (left) and after (right) POSS coating [8]

6. פיזור מכני טיפול פני שטח CNTs 3. ייבוש 1. סוספנסיה 2. סינון 4. אולטראסוניקציה MWNTs באצטון 5. הומוגניזציה MWNTs בשרףEP ארבעה הרכבי ננומרוכב: EP/MWNTs, EP/T-MWNTs, EP/ST-MWNTs, EP/PT-MWNTs. משתנים בלתי תלויים: סוג טיפול פני שטח הננוצינוריות ותכולתם. משתנה תלוי: התנהגותם התרמו-מכנית של הננומרוכבים, ביחס ל-EP נקי. [10] EP/CNTs – Epoxy/Carbon Nanotubes הכנת ננומרוכבים EP/CNTs

7. טמפרטורת Tg קשיחות ירידה בתכונות הננומרוכב חלה גם באחוזים המשקליים הנוספים שנבדקו, ביחס ל-EP נקי. עבור EP/ST-MWNTs שהכנתו כללה אולטראסוניקציה באצטון חסר נתון. השפעת שלב אולטראסוניקציה באצטון על תכונות הננומרוכב

8. הכנת ננומרוכבים ללא שלב אולטראסוניקציה באצטוןבאחוז משקלי נמוך של MWNTs • שלושה אלמנטים גורמים לירידה בתכונות התרמו-מכניות של הננומרוכב: • נעשה שימוש בממס כדי להוריד את הצמיגות של שרף האפוקסי.אולם, איוד הממס אינו מתבצע באופן מלא. • אולטראסוניקציה פוגעת בשלמות מבנה הננוצינוריות. • תכולת ננוצינוריות גבוהה, גורמת לצמיגות גבוהה.

9. 1 Storage EP neat 4 Tanδ 3 Loss peak 2 ככל שדרגת צילוב הננומרוכב גבוהה יותר, הפלטו לאחר Tg של עקומת מודול האחסון גבוה יותר. ככל שהמרכיב הויסקוזי אשר מפזר את האנרגיה המופעלת על הננומרוכב דומיננטי יותר, צפידות הננומרוכב גדולה יותר. Tanδ=Loss/Storage, מדד לרמת הויסקואלסטיות. DMA - Dynamic Mechanical Analysis אפיון תכונות תרמו-מכניות

10. טיפול פני שטח תורם לעליה בקשיחות קשיחות

11. ככל שדרגת צילוב הננומרוכב גבוהה יותר, הפלטו לאחר Tg של עקומת מודול האחסון גבוה יותר. דרגת צילוב

12. טמפרטורת Tg מאופיינת לפי פיק עקומת מודול ההפסד Tg

13. ככל שערך (Loss/Storage) Tan δ גדול יותר, המרכיב הויסקוזי אשר מפזר את האנרגיה המופעלת על הננומרוכב דומיננטי יותר וצפידות הננומרוכב גדולה יותר. צפידות

14. 94.54% צפידות EP/CNTs אינה תלויה בסוג טיפול פני שטח MWNTs!! צפידות מתחת ל-Tg

15. Rq=59.95[nm] Rq=8.10[nm] Rq=103.10[nm] EP neat EP/MWNTs EP/T-MWNTs Rq=23.30[nm] Rq=6.59[nm] EP/ST-MWNTs EP/PT-MWNTs טופוגרפית פני שטח חתך השבר AFM Topography (contact mode) 3D 5x5µm of EP/CNTs 0.3[wt%] Rq=Root Mean Square Rough, RMS Rough [nm]

16. טופוגרפית פני שטח חתך השבר AFM Topography (contact mode) 20x20µm of EP/T-MWNTs 0.3[wt%] 2D 3D Crack-pinning mechanisms of toughening [12, 11]

17. מסקנות • הכנת ננומרוכב הכוללת פיזור CNTs באמצעות אולטראסוניקציה באצטון גורמת לירידה בתכונות התרמו-מכניות של הננומרוכב EP/CNTs, ביחס ל-EP נקי. • טיפול פני שטח MWNTs תורם לעליה בקשיחות הננומרוכבים באחוז משקלי נמוך של MWNTs (קטן מ-%1), ביחס לננומרוכבים המכילים MWNTs לא מטופלות בפני השטח וביחס ל-EP נקי. תוצאות DMA הראו עליה של 31.79% בקשיחות ננומרוכב EP/T-MWNTsבאחוז משקלי של [wt%]0.05, ביחס ל-EP נקי. • ננומרוכבים EP/T-MWNTs מצטיינים בקשיחות לצד צפידות גבוהה, ביחס ל-EP נקי באחוזים משקליים נמוכים של MWNTs (0.3 – 0.05). העליה בצפידות באה לידי ביטוי בטופוגרפית פני שטח חתך השבר של דגם EP/T-MWNTs, אשר אופיינית למנגנון הצפדה המכונה בשם "crack-pinning". • פיזור MWNTs במטריצת EP על ידי יצירת שכבת טיטניה על פני שטח ה-MWNTs בשיטת הסול-ג'ל היא שיטת פיזור יעילה יותר, ביחס לפיזורן באמצעות הוספת חומרים פעילי שטח שונים (סילן או POSS) לשכבת הטיטניה.

18. מקורות ספרות [1] Melissa Paradise, Tarun Goswami, "Carbon nanotubes – Production and industrial applications", Materials and Design 28, 1477–1489, (2007). [2] Erik T. Thostenson, Zhifeng Ren, Tsu-Wei Chou, "Advances in the science and technology of carbon nanotubes and their composites: a review", Composites Science and Technology 61, 1899–1912, (2001). [3] Chen-Chi Martin Ma, Siu-Ming Yuen, Chia-Yi Chuang, "TiO2-coated CNT reinforced polymer composite and methods of preparation thereof", http://www.uspto.gov [4] Byung Chul Kim, Sang Wook Park, Dai Gil Lee, "Fracture toughness of the nano-particle reinforced epoxy composite", Composite Structures 86, 69–77, (2008). [5] A. Jitianu, T. Cacciaguerra, R. Benoit, S. Delpeux, F. Beguin, S. Bonnamy, "Synthesis and characterization of carbon nanotubes–TiO2 nanocomposites", Carbon 42, 1147–1151, (2004). [6] Siu-Ming Yuen, Chen-Chi M. Ma, Chia-Yi Chuang, Yi-Hsiu Hsiao, Chin-Lung Chiang, An-dih Yu, "Preparation, morphology, mechanical and electrical properties of TiO2 coated multiwalled carbon nanotube/epoxy composites", Composites: Part A 39, 119–125, (2008). [7] John Kathi, Kyong-Yop Rhee, Joong Hee Lee, "Effect of chemical functionalization of multi-walled carbon nanotubes with 3- aminopropyltriethoxysilane on mechanical and morphological properties of epoxy nanocomposites", Composites: Part A, (2009). [8] Hybrid Plastics, “POSS Titania", www.hybridplastics.com [9] Hybrid Plastics, "POSS Chemical Catalog 2008", www.hybridplastics.com [10] Camlab, www.camlab.co.uk [11] Lorena Ruiz-Pe´ rez, Gareth J. Royston, J. Patrick A. Fairclough, Anthony J. Ryan, "Toughening by nanostructure", Polymer 49, 4475–4488, (2008). [12] Bernd Wetzel, Patrick Rosso, Frank Haupert, Klaus Friedrich, "Epoxy nanocomposites – fracture and toughening mechanisms", Engineering Fracture Mechanics 73, 2375–2398, (2006).