بررسی اثر نانو رس بر رفتار حرارتی و مقاومت اشتعال نانوکامپوزیت فنولیک –کربن

جوادی, محمد مجتبی; مهدوی مقدم, حسین; مندعلی, مهدی

بررسی اثر نانو رس بر رفتار حرارتی و مقاومت اشتعال نانوکامپوزیت فنولیک –کربن

نوع مقاله : مکانیک جامدات

نویسندگان

محمد مجتبی جوادی ¹

حسین مهدوی مقدم ²

مهدی مندعلی ¹

¹ گروه هوافضا، دانشکده فنی مهندسی، واحد علوم وتحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران

² هیات علمی دانشکده مهندسی هوافضا - دانشگاه خواجه نصیرالدین طوسی،تهران ،ایران

چکیده

سیلیکات‌های لایه‌ای (رس) به‌دلیل ساختار در ابعاد نانو در بهبـود خـواص حرارتی کامپوزیـت‌هـای پلیمـری‌ کاربرد گسترده‌ای یافته‌اند. در مقاله حاضر، ابتدا نانو رس بر پایه مونت‌موریلونیت اصلاح‌شده به میزان 5/2 و 5/7 درصد وزنی به روش اخـتلاط مـذاب در زمینـه رزیـن فنولیـک توزیع شد. سپس پارچه کربنی بر پایه پلی‌اکریلونیتریل با مخلوط رزین و نانو رس آغشته شده و کامپوزیت کربن – فنولیک به روش لایه‌گذاری دستی و پخـت در اتـوکلاو به دمای °C160 به مدت 4 ساعت سـاخته شـد تا اثر نانو رس بر ساختار کریستالی و خواص حرارتی آن بررسی ‌شـود. فاصله کریستالی صفحات رس با تجزیه و تحلیل پـراش اشـعه ایکـس (XRD) تعیین شد و تجزیه و تحلیل توزیع نانو رس در زمینه فنولیک توسط میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) انجام شد. از آزمون گرماسنج مخروطی برای ارزیابی اشتعال‌پذیری نانوکامپوزیت‌ها استفاده شد و اثر نانو رس بر استحکام کششی و برشی بین لایه‌های نمونه‌ها بررسی شد. نتـایج نشـان داد کـه فاصـله کریستالی نانو رس در رزین تا دو برابر افزایش می‌یابد. افزودن نانو رس تا 5/2 درصد وزنی سبب افزایش زمان وقوع افروزش تا دو برابر و کاهش نرخ رهایش گرما تا 36% شد که بیانگر تأثیر بسزای نانو رس در تأخیر شروع اشتعال، بهبـود مقاومت به اشتعال و دیرسوزی کامپوزیت کربن – فنولیک است. همچنین نتایج نشان داد که افزودن نانو رس اثر قابل‌ملاحظه‌ای بر استحکام کششی و استحکام برشی نانوکامپوزیت کربن – فنولیک ندارد.

کلیدواژه‌ها

سیلیکات‌های لایه‌ای

نانوکامپوزیت کربن-فنولیک

رفتار حرارتی

20.1001.1.26455323.1400.17.3.3.8

عنوان مقاله English

The Investigation of the Nano-Clay Effects on Thermal Behavior and Ignition Resistance of the Phenolic-Carbon Nanocomposite

نویسندگان English

mojtaba javadi ¹

hosein mahdavy moghaddam ²

mahdi mondali ¹

¹ Aerospace Engineering Department, Science and Research Branch,Islamic Azad University

² Aerospace Engineering Department, khajeNasir University

چکیده English

The layered silicates (clay) are being extensively used to improve the thermal properties of polymer-based composites, because of their nano structure. In this study, the modified Montmorillonite-based nano-clay with 2.5 and 7.5 weight percentages were distributed by a melt-mixing method in a phenolic matrix and a poly acrylonitrile-based carbon cloth was used as the reinforcement. The composite was prepared by a manual layout method and cured in an autoclave at 160 °C for 4 hours and the effects of nano-clay loading with 2.5 and 7.5 weight percentages on the crystalline structure and the thermal and mechanical properties of the carbon-polymer-layered silicate nanocomposites were investigated. The silicate galleries spacing of the layered silicate platelets were determined from XRD patterns. The dispersion of the clay layers in the resin was analyzed by TEM studies. The cone calorimetric tests were used to evaluate the flame- retardancy properties of the nanocomposites and the effects of tensile strength and short beam strength were investigated. The results showed that the d-spacing of nanocomposites is doubled due to 2.5 wt. % nano-clay loading. Also, the heat release rate (HRR) is decreased up to 36% by adding the layered silicates. The tensile strength and shear strength of nanocomposites are not influenced considerably by adding the nano-clay.

کلیدواژه‌ها English

Layered Silicate

Carbon-Phenolic Nanocomposites Thermal Behavior

Min Ho Choi, J. C. “Mechanical and Thermal Properties of Phenolic ResinLayered Silicate Nanocomposites Synthesized by Melt Intercalation”, J. Appl Polm. Sci., Vol. 90, pp. 2316–2321, 2003.##
Natali, M., Kenny, J., and Torre, L. “Phenolic matrix nanocomposites based on commercial grade resols: Synthesis and characterization”, Sci. Technol., Vol. 70, pp. 571-577, 2010.##
Rao, G. R., Srikanth, I., and Reddy, K. L. “Effect of organo-modified montmorillonite nanoclay on mechanical, thermal and ablation behavior of carbon fiber/phenolic resin composites”, Defence Technol., 2020, In Press.##
Koo, J. “Fundamentals, Properties, and Applications of Polymer Nanocomposites”, Cambridge University Press, 2016.##
Baldissera, A. F. and Ferreira, C. A. “Clay-Based Conducting Polymer Nanocomposites, in Conducting Polymer Hybrids”, ed: Springer, 2017, pp. 143-163.##
Ajayan, P. M., Schadler, L. S., and Braun P. V. “Nanocomposite science and technology”, John Wiley & Sons, 2006.##
Naderi, G., Beheshty, M., and Baba Mohammadi M. “Effect of Composition and Type of Phenolic Resin on Mechanical Properties and Morphology of Phenolic Nanocomposites”, Iranian Journal of Polymer Science and Technology, Vol. 22, pp. 421-428, 2010.##
Bahramian, A. R. and Kokabi, M. “Ablation mechanism of polymer layered silicate nanocomposite heat shield”, J. mater., vol. 166, pp. 445-454, 2009.##
Lotfi, M., S. Kasiriha, H., and Shafiee, M. “Improvement of Mechanical properties of car brake pads with phenolic/Nano clay nanocomposite”, Nashrieh Shimi va Mohandesi Shimi Iran, pp., 2019 (in Persian).##
Pavlidou, S. and Papaspyrides, C. “A review on polymer–layered silicate nanocomposites”, Prog. Polym. Sci., Vol. 33, pp. 1119-1198, 2008.##
Kiliaris, P. and Papaspyrides, C. “Polymer/layered silicate (clay) nanocomposites: an overview of flame retardancy,” Polym. Sci., Vol. 35, pp. 902-958, 2010.##
Senthilkumar, K., Siva, I., Karthikeyan, S., Pulikkalparambil, H., Parameswaranpillai, J., Sanjay, M. “Mechanical, Structural, Thermal and Tribological Properties of Nanoclay Based Phenolic Composites,” in Phenolic Polymers Based Composite Materials, ed: Springer, 2020, pp. 123-138.##
Malwela, T. and Ray, S. S. “Unique morphology of dispersed clay particles in a polymer nanocomposite,” Polymer, Vol. 52, pp. 1297-1301, 2011.##
Ray, S. S. and Okamoto, M. “Polymer/layered silicate nanocomposites: a review from preparation to processing,” Polym. Sci., Vol. 28, pp. 1539-1641, 2003.##
Jafari Nejad, S., Abolghasemi, H., Ahmadi, S. J., and Ghorbanian, S. “Mechanical Properties of PP/Clay Nanocomposiets Prepared by Melt Blending,” Nashrieh Shimi va Mohandesi Shimi Iran, Vol. 30, pp. 61-67, 2011 (in Persian).##
Nuhiji, B., Attard, D., Thorogood, G., Hanley, T., Magniez, K., and Fox, B. “The effect of alternate heating rates during cure on the structure–property relationships of epoxy/MMT clay nanocomposites,” Sci. Technol., Vol. 71, pp.1761-1768, 2011.##
Tate, J., Gaikwad, S., Theodoropoulou, N., Trevino, E., and Koo, J. “Carbon/phenolic nanocomposites as advanced thermal protection material in aerospace applications,” Compos., 2013.##
Koo, J. H., Pilato, L. A., and Wissler, G. E. “Polymer nanostructured materials for propulsion systems,” Spacecraft Rockets, Vol. 44, pp. 1250-1262, 2007.##
Asaro, L., Villanueva, S., Alvarez, V., Manfredi, L., and Rodríguez, E. “Fire performance of composites made from carbon/phenolic prepregs with nanoclays,” Compos. Mater., Vol. 51, pp. 3515-3524, 2017.##
ASTM D792, "Standard Test Methods for Density and Specific Gravity (Relative Density) of Plastics by Displacement,” ed, 2008.##
ISO 5660-1, “Reaction-to-Fire Tests Heat Release, Smoke Production and Mass Loss Rate, Part 1: Heat Release Rate (Cone Calorimeter Method),” ed, 2002.##