مروری بر فرآیند تولید و تعیین ماهیت پلیمرهای تشکیل‌دهنده بسته‌بندی چندلایه محصولات پزشکی
الموضوعات :محمدمهدی اشتری برزکی 1 , احسان گائینی 2
1 -
2 - گروه مهندسی پلیمر دانشکده مهندسی شیمی تهران
الکلمات المفتاحية: فیلم‌های چندلایه, بسته‌بندی پلیمری, کو اکستروژن, خواص مانع, کاربردهای پزشکی, بهینه‌سازی افزودنی.,
ملخص المقالة :
فیلم‌های پلیمری چندلایه به دلیل خواص سدکننده عالی، استحکام مکانیکی، خواص حرارتی و انعطاف‌پذیری به طور گسترده در بسته‌بندی‌های پزشکی و مواد غذایی استفاده می‌شوند. این فیلم‌ها از لایه‌های پلیمری متعددی تشکیل شده‌اند که هر کدام برای ارائه ویژگی‌های خاصی مانند مقاومت در برابر اکسیژن/رطوبت، دوام و حفاظت میکروبی طراحی شده‌اند. در کاربردهای پزشکی، ایمنی و یکپارچگی فرآورده‌های خونی، دارویی را در حین نگهداری و حمل‌ونقل تضمین می‌کنند. فرایندهای تولید متداول عبارت‌اند از کو اکستروژن و لمینت که لایه‌هایی مانند مانع (به‌عنوان‌مثال EVOH، PVDC)، لایه حجیم (به‌عنوان‌مثال مانند PE، PP) و لایه آب‌بندی (به‌عنوان‌مثال مانند LDPE، EVA) را برای بهینه‌سازی عملکرد ترکیب می‌کنند. افزودنی‌هایی مانند آنتی‌اکسیدان‌ها، تثبیت‌کننده‌های UV و عوامل لغزش برای افزایش خواصی مانند پایداری حرارتی و عملکرد سطحی مورد استفاده قرار می‌گیرند. روش‌های شناسایی پیشرفته، از جمله میکروسکوپی (به‌عنوان‌مثال، SEM)، طیف‌سنجی FTIR، و کالری‌متری اسکن تفاضلی (DSC)، برای شناسایی ترکیب لایه و رفتار حرارتی فیلم‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. نفوذپذیری گاز و بخار آب معیارهای مهمی هستند که با موادی مانند EVOH (مانع اکسیژن عالی) و پلی‌اتیلن (مقاومت در برابر رطوبت برتر) می‌توانند کنترل شوند. چالش‌هایی مانند چسبندگی بین لایه‌ها با استفاده از لایه‌های چسب یا سازگارکننده‌ها برطرف می‌شوند. نوآوری در فناوری‌های اکستروژن و لمینت، کنترل دقیق ضخامت و عملکرد لایه را امکان‌پذیر ساخته و کارایی، هزینه و ماندگاری محصول را بهبود می‌بخشد. این بررسی اهمیت انتخاب مواد، ترکیب افزودنی‌ها و بهینه‌سازی فرایند تولید را در توسعه فیلم‌های چندلایه با کارایی بالا برای برنامه‌های کاربردی در بخش بهداشتی و نگهداری مواد غذایی برجسته می‌کند.
G. L. Robertson, Food Packaging. CRC Press, 2016. K. Marsh and B. Bugusu, “Food packaging—roles, materials, and environmental issues,” J. Food Sci., vol. 72, no. 3, pp.
R39–R55, 2007. S. Jadhav, S. Gyan, and V. Univeristy, “Study of different methods of Pharmaceutical Packaging. Sapana,” vol. XV, no.
February, pp. 254–277, 2023. T. Rydzkowski, J. Wróblewska-Krepsztul, V. K. Thakur, and T. Królikowski, “Current trends of intelligent, smart packagings
in new medical applications,” Procedia Comput. Sci., vol. 207, pp. 1271–1282, 2022, doi: 10.1016/j.procs.2022.09.183. A. Hasanvand, “A Review of Multilayer Flexible Packaging Structures,” J. Packag. Sci. Technol., vol. 14, no. 2, pp. 45–56,
2023.
Y. Teck Kim, B. Min, and K. Won Kim, General Characteristics of Packaging Materials for Food System. Elsevier Ltd, 2013. S. Roy, T. Ghosh, W. Zhang, and J. W. Rhim, “Recent progress in PBAT-based films and food packaging applications: A
mini-review,” Food Chem., vol. 437, no. P1, p. 137822, 2024, doi: 10.1016/j.foodchem.2023.137822. G. Bang and S. W. Kim, “Biodegradable poly(lactic acid)-based hybrid coating materials for food packaging films with gas
barrier properties,” J. Ind. Eng. Chem., vol. 18, no. 3, pp. 1063–1068, 2012, doi: 10.1016/j.jiec.2011.12.004. M. Ščetar, M. Kurek, and K. Galić, “Trends in Fruit and Vegetable Packaging,” Univ. Zagreb. Fac. food Technol. Biotechnol.
Pierottijeva 6, 10000 Zagreb. Croat., vol. 5, no. 3–4, pp. 69–86, 2010.
M. Ščetar, Multilayer packaging materials. 2021.
K. L. Yam, The Wiley encyclopedia of packaging technology. John Wiley & Sons, 2010. A. ;ب Mieth, C. ; Simoneau, and E. Hoekstra, Guidance for the identification of polymers in multilayer-LBNA27816ENN.
2016.
W. J. John R, Multilayer Flexible Packaging. 2010.
آنالیز پیشرفت های اخیر درپایداری گرمایی و رفتار تخریب گرمایی نانو ذرات
اکسید آهن اصلاح شده در ننانو کامپوزیت های اپوکسی و اکسید آهن اصلاح شده : مطالعه مورفولوژی، و خواص مکانیکی
محمد حسین کرمی11، امید معینی جزنی1* وحید یزدانیان2*، محمد علی اطمینانی اصفهانی3
1گروه مهندسی شیمی، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه اصفهان، صندوق پستی 73441 - ۸۱۷۴۶، اصفهان، ایران
2گروه فناوری ارتباطات، پژوهشگاه ارتباطات وفناوری اطلاعات، تهران، ایران
3 گروه صنایع شیمیایی ، دانشگاه ملی مهارت، تهران، ایران
چکیده
رزین اپوکسی به عنوان یکی از مهم‌ترین پلیمرهای گرماسخت، به دلیل ویژگی‌های مکانیکی و مقاومت در برابر تنش‌های حرارتی و تخریب گرمایی، در حوزه‌های مختلفی از جمله پوشش‌ها، چسب‌ها، ترکیبات قالب‌سازی، صنایع فضایی و نانوکامپوزیت‌های پلیمری مقاوم حرارتی کاربرد گسترده‌ای دارد. نانو ذرات اکسید آهن اصلاح شده با توزیع و پراکندگی مناسب در ماتریس اپوکسی، به بهبود یکنواختی ساختار و در نتیجه افزایش خواص مکانیکی و پایداری حرارتی این نانوکامپوزیت‌ها کمک می‌کند. تحقیقات نشان می‌دهد که این نانوکامپوزیت‌ها می‌توانند به عنوان راهکاری مؤثر در صنایع مختلف، از جمله ساخت و ساز و حفاظت در برابر تابش، بهبود ایمنی مواد پلیمری مورد استفاده قرار گیرند. به ویژه، نانو ذرات اکسید آهن نوع آلفا به دلیل خواص بهتر ضد شعله، توجه بیشتری را به خود جلب کرده‌اند. این پیشرفت‌ها نه تنها به بهبود عملکرد مواد کمک می‌کند، بلکه افق‌های جدیدی را برای توسعه مواد با کارایی بالا و چندمنظوره در صنعت فراهم می‌آورد. بررسی‌های انجام شده بر روی مورفولوژی سطوح شکست رزین اپوکسی و نانو ذرات اکسید آهن نشان می‌دهد که توزیع نانو ذرات در ماتریس اپوکسی تأثیر قابل توجهی بر خواص مکانیکی و دی‌الکتریک این کامپوزیت‌ها دارد. این پژوهش به بررسی تأثیر نانو ذرات اکسید آهن اصلاح شده بر مورفولوژی، خواص مکانیکی، پایداری گرمایی و رفتار تخریب گرمایی رزین اپوکسی می‌پردازد و همچنین پیشرفت‌های اخیر و نتایج مهم در زمینه ساخت نانوکامپوزیت‌های اپوکسی حاوی نانو ذرات اکسید آهن اصلاح شده را تحلیل می‌کند.
رزین اپوکسی به دلیل ویژگی‌های مکانیکی، مقاومت در برابر تنش حرارتی و تخریب گرمایی، یکی از اصلی‌ترین پلیمرهای گرماسخت به شمار می‌آید که در بسیاری از حوزه‌های مهم از جمله پوشش‌ها، چسب‌ها، ترکیبات قالب‌سازی ، کاربرد هایصنایع فضایی و نانو کامپوزیت‌های پلیمری مقاوم حرارتی پلیمری کاربردهای وسیعی دارد.یافته است. نانو ذرات اکسید آهن اصلاح شده به بهبودبا توزیع و پراکندگی مناسب در ماتریسیکنواختی ساختار اپوکسی کمک کرده و در نتیجهموجب افزایش خواص مکانیکی و پایداری حرارتی را افزایش می دهدسامانه نانوکامپوزیتی میشود. پژوهش ها نشان می‌دهد که استفاده از این نانو کامپوزیت‌ها میتواند به عنوان راهکاری مؤثر در صنایع مختلف، از جمله ساخت و ساز، حفاظت در برابر تابش و بهبود افزایش ایمنی مواد سامانه‌های پلیمری، مورد استفاده قرار گیردشود. به ویژه، نانو ذرات اکسید آهن نوع آلفا به دلیل خواص بهتر ضد شعله، توجه بیشتری را به‌خود جلب کرده‌استند. در نهایت، این پیشرفت‌ها نه تنها به بهبود عملکرد مواد کمک می‌کند، بلکه افق‌های جدیدی را برای توسعه مواد با کارایی بالا و چندمنظوره در صنعت فراهم می‌آورد. بررسی های انجام شده بر روی مورفولوژی سطوح شکست رزین اپوکسی و نانو ذرات اکسید آهن نشان می‌دهد که توزیع نانو ذرات در ماتریس اپوکسی تأثیر قابل توجهی بر خواص مکانیکی و دی‌الکتریک این کامپوزیت‌ها دارد. در این پژوهش به بررس اثر نانو ذرات اکسید آهن اصلاح شده بر مورفولوژی، خواص مکانیکی، پایداری گرمایی و رفتار تخریب گرمایی رزین اپوکسی پرداخته می شود. همچنین در ادامه پژوهش پیشرفت های اخیر و نتایج مهم در زمینه ساخت نانو کامپوزیت های اپوکسی حاوی نانو ذرات اکسید آهن اصلاح شده، بررسی و تحلیل می شود.
کلید واژه: رزین اپوکسی، نانو ذرات اکسید آهن اصلاح شده، مورفولوژی، خواص مکانیکی، تخریب گرمایی.
The Analysis of Recent Advancements in Thermal Stability and Thermal Degradation Behavior of Modified Iron Oxide Nanoparticles in Epoxy Nanocomposites: A Study of Morphology and Mechanical Properties
Thermal Stability and Thermal Degradation Behavior of Epoxy Nanocomposites and Modified Iron oxide
Mohammad Hossein Karami12, Omid Moini Jazani1* , Vahid Yazdanian2*, Mohammad Ali Etminani Isfahane3
1 Department of Chemical Engineering, Faculty of Engineering, University of Isfahan, P.O. Box 81746-73441, Isfahan, Iran.
2Department of Communication Technology, Communication and Information Technology Research Institute, Tehran, Iran.
3Department of Chemical Industry, National University of Skills, Tehran, Iran.
Abstract
Epoxy resin, as one of the most significant thermosetting polymers, is widely utilized in various fields such as coatings, adhesives, molding compounds, aerospace industries, and thermally resistant polymer nanocomposites due to its mechanical properties and resistance to thermal stresses and thermal degradation. Modified iron oxide nanoparticles, with appropriate distribution and dispersion within the epoxy matrix, contribute to improving the uniformity of the structure, thereby enhancing the mechanical properties and thermal stability of these nanocomposites. Research indicates that these nanocomposites can serve as an effective solution in various industries, including construction and radiation protection, to improve the safety of polymer materials. Notably, alpha-type iron oxide nanoparticles have garnered increased attention due to their superior flame-retardant properties. These advancements not only enhance material performance but also open new horizons for the development of high-performance and multifunctional materials in the industry. Studies conducted on the morphology of fracture surfaces of epoxy resin and iron oxide nanoparticles demonstrate that the distribution of nanoparticles in the epoxy matrix significantly affects the mechanical and dielectric properties of these composites. This research examines the impact of modified iron oxide nanoparticles on the morphology, mechanical properties, thermal stability, and thermal degradation behavior of epoxy resin, while also analyzing recent advancements and significant findings in the field of epoxy nanocomposites containing modified iron oxide nanoparticles.
Epoxy resin is recognized as one of the primary thermosetting polymers due to its mechanical properties, thermal stress resistance, and thermal degradation resistance. It finds extensive applications in critical areas such as coatings, adhesives, molding compounds, aerospace applications, and polymer nanocomposites. Modified iron oxide nanoparticles enhance the distribution and uniformity of the epoxy structure, thereby improving mechanical properties and thermal stability. Research indicates that the use of these nanocomposites can serve as an effective solution in various industries, including construction, radiation protection, and enhancing the safety of polymer materials. Notably, alpha-type iron oxide nanoparticles have garnered increased attention due to their superior flame-retardant properties. Ultimately, these advancements not only contribute to improved material performance but also open new horizons for the development of high-performance, multifunctional materials in the industry. The results of the studies conducted on the morphology of the fracture surfaces of epoxy resin and iron oxide nanoparticles indicate that the distribution of nanoparticles within the epoxy matrix has a significant impact on the mechanical and dielectric properties of these composites. This study investigates the effects of modified iron oxide nanoparticles on the morphology, mechanical properties, thermal stability, and thermal degradation behavior of epoxy resin. Furthermore, recent advancements and significant findings in the field of epoxy nanocomposites containing modified iron oxide nanoparticles will be examined and analyzed.
Keywords: Epoxy Resin, Modified Iron Oxide Nanoparticles, Morphology, Mechanical properties, Thermal Degradation.
۱- مقدمه
رزین‌های اپوکسی به عنوان ماتریس‌های گرماسخت، در کامپوزیت‌های پلیمری به دلیل ویژگی‌های مکانیکی بالا، انقباض کم، مقاومت قابل توجه در برابر مواد شیمیایی و خوردگی، و چسبندگی مناسب، بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرند. در طول فرآیندفرایند پخت، این رزین‌ها از حالت خطی به یک شبکه سه‌بعدی گرماسخت تبدیل می‌شوند. ویژگی‌های فیزیکی پخت رزین‌های اپوکسی به عوامل مختلفی از جمله ساختار، درجه پخت، شرایط پخت و زمان و دمای پخت وابسته است. بنابراین، برای دستیابی به رزینی با کارایی و عملکرد بالا، لازم است که ارتباط بین ساختار و شبکه‌سازی و خواص نهایی آن را درک کنیم. خواص کامپوزیت‌ها بیشتر تحت تأثیر اندازه ذرات پرکننده، غلظت آن‌ها و نوع واکنش با ماتریس پلیمر قرار دارد]1[. به همین دلیل، استفاده از نانوپرکننده‌های مختلف مانند نانوذرات مختلف در ماتریس پلیمری، به عنوان یک رویکردی مؤثر برای تقویت خواص مکانیکی و حرارتی پلیمرها شناخته میشود. رزین‌های اپوکسی نسبت به گرمانرم‌ها دارای مقاومت بالاتری در برابر حرارت هستند]2[. با این حال، این رزین‌ها معایبی نیز دارند. این مشکلات می‌توانند کاربردهای رزین‌های اپوکسی را محدود کنند. برای رفع این معایب، استفاده از نانوذرات اکسید آهن اصلاح شده پیشنهاد میشود.شده است. نانو ذرات اکسید آهن به عنوان افزودنی در رزین‌های اپوکسی دارای اهمیت ویژه‌ای هستند. این نانو ذرات می‌توانند تأثیرات قابل توجهی بر مورفولوژی، خواص مکانیکی و خواص حرارتی رزین اپوکسی داشته باشند]3[. در زمینه مورفولوژی، نانو ذرات اکسید آهن می‌توانند به بهبودبا توزیع و پخش یکنواخت دری ساختار رزین اپوکسی کمک کنند. این بهبود در مورفولوژی میتواند منجر به افزایش چسبندگی و کاهش عیوب ساختاری در رزین شوند]4[.
نانوذرات آهن می‌توانند بر ساختار شیمیایی اپوکسی تأثیر بگذارند. این نانوذرات ممکن است با ماتریس اپوکسی واکنش نشان دهند و خواص مکانیکی و شیمیایی آن را تغییر دهند. همچنین، توزیع و پخش یکنواخت نانوذرات در ماتریس اپوکسی به عوامل مختلفی از جمله اندازه نانوذرات، روش تولید و شرایط فرآیندفرایند بستگی دارد. در صورت توزیع مناسب، نانوذرات می‌توانند به بهبود خواص اپوکسی کمک کنند، اما در صورت توزیع نامناسب، ممکن است تأثیر منفی بر خواص آن داشته باشند..
از نظر خواص مکانیکی، افزودن نانو ذرات اکسید آهن به رزین اپوکسی میتواند منجر به افزایش استحکام کششی، سختی و مقاومت به ضربه شود. این نانو ذرات به عنوان تقویت‌کننده عمل کرده و می‌توانند خواص مکانیکی کلی ماده را بهبود بخشند]5[. در خصوص خواص حرارتی، نانو ذرات اکسید آهن می‌توانند به افزایش پایداری حرارتی رزین اپوکسی کمک کنند. این نانو ذرات می‌توانند دماهای بالاتر را تحمل کرده و، در نتیجه، عملکرد رزین را در شرایط حرارتی سخت بهبود بخشند.. به طور کلی، استفاده از نانو ذرات اکسید آهن در رزین‌های اپوکسی میتواند به بهبود عملکرد و کارایی این موادنانوکامپوریت در کاربردهای مختلف منجر شود]6[.
در این پژوهش به بررسی اثر نانو ذرات اکسید آهن اصلاح شده بر مورفولوژی، خواص مکانیکی، پایداری گرمایی و رفتار تخریب گرمایی رزین اپوکسی پرداخته می شود. همچنین در ادامه پژوهش پیشرفت های اخیر و نتایج مهم در زمینه ساخت نانو کامپوزیت های اپوکسی حاوی نانو ذرات اکسید آهن اصلاح شده، بررسی و تحلیل می شود.
۲- مورفولوژي
مورفولوژی سطوح شکست رزین اپوکسی و نانو ذرات اکسید آهن بررسی شد (شکل۱). نتایج نشان داد که بخش‌هایی از نانو ذرات اکسید آهن در ماتریس اپوکسی منجر به خوشه‌ای شدن (Cluster) می شود. مشخص است که ذرات اکسید آهن در برخی نقاط به صورت تجمع کلوخه جمع شده اند . و در برخی نقاط پراکنده هستند. بنابر این توزیع ضعیف ذرات در ماتریس اپوکسی منجر به تشکیل خوشه‌ها و افزایش چگالی شبکه ای شدن میشود. در نتیجه منجر به کاهش استحکام مکانیکی و کاهش در خصوصیات دی‌الکتریک و پایداری حرارتی میشود ]1[.
شکل۱. آزمون میکروسکوپ الکترونی نانو کامپوزیت اپوکسی حاوی نانو ذرات اکسید آهن]1[.
پژوهشگران اثر نانو ذرات آهن اصلاح شده با کربونیل را بر مورفولوژی رزین اپوکسی بررسی کردند. نتایج نشان داد که در ابتدا ساختار این نانو کامپوزیت به صورت هسته پوسته می باشداست. همچنین مشاهده شد، ساختار نانو ذرات آهن اصلاح شده در ماتریس رزین اپوکسی و نانو کامپوزیت به صورت کروی است. در صورتی که درصد وزنی رزین اپوکسی بیش از 30 درصد باشد، ساختار کروی نانو کامپوزیت اپوکسی تغییر می کند. با افزایش مقدار رزین اپوکسی که به صورت ساختار پوسته است، ضخامت پوسته به مقدار 40 تا 490 نانو متر افزایش می یابد]2[.
اثر نانو ذرات اکسید آهن اصلاح شده با آمینو فنیل فرمالدهید بر مورفولوژی رزین اپوکسی بررسی شد (شکل2). نتایج نشان داد که، اثر 1 ،3 و 5 درصد وزنی از این نانو ذرات منجر به بهبود پراکنش می شود و کلوخه ای شدن در ماتریس رزین اپوکسی دیده نمی شود. حضور نانو ذرات اصلاح شده منجر به کمتر شدن آنتالپی و پراکنش نانو ذرات در اپوکسی می شود]3[.
شکل1شکل2. تصاویر آزمون میکروسکوپ الکترونی (a). نانو کامپوزیت 1 درصد وزنی (b). نانو کامپوزیت 3 درصد وزنی (c). نانو کامپوزیت 5 درصد وزنی]3[.
پژوهشگران اثر نانو ذرات اکسید آهن را بر مورفولوژی اپوکسی وینیل استر بررسی کردند. برای بهبود پراکنش نانو ذرات اکسید آهن در سه زمان 5، 11،5 11 و 20 دقیقه از امواج فراصوت استفاده شدند. نتایج نشان داد که، بهترین پراکنش نانو ذرات اکسید آهن در زمان 11 دقیقه اتفاق می افتد. همچنین در این پژوهش مشخص شد که برای داشتن پراکنش مناسب در ماتریس اپوکسی، استفاده از زمان های بیشتری برای انجام فرآیندفرایند پراکنش نانو ذرات پیشنهاد می شود]4[.
اثر نانو ذرات اکسید آهن و نانو ذرات اکسید آهن اصلاح شده با گروه های سیلانی (APTES)، بر مورفولوژی رزین اپوکسی بررسی شد. نتایج نشان داد که، در مقادیر 3 و 5 درصد وزنی از نانو ذرات اکسید آهن در ماتریس رزین اپوکسی، کلوخه ای شدن نانو ذرات اتفاق می افتد. همچنین در مقادیر 1 و 3 درصد وزنی از نانو ذرات آهن اصلاح شده توسط گروه های سیلانی، کلوخه ای شدن در نانو ذرات دیده نشد. این بهبود در مورفولوژی به دلیل برهم کنش مناسب بین نانو ذرات آهن اصلاح شده و رزین اپوکسی می باشداست]5[.
در پژوهشی دیگر، حضور نانو ذرات اکسید آهن و نانو ذرات اکسید آهن اصلاح شده با گروه سیلانی (APTMS)، بر مورفولوژی رزین اپوکسی بررسی شد. نتایج نشان داد که، نانو ذرات اصلاح نشده در ماتریس اپوکسی منجر به کلوخه ای شدن می شود. حضور نانو ذرات آهن اصلاح شده در ماتریس اپوکسی، منجر به بهبود اندازه ذرات به زیر 100 نانو متر و پراکنش بهتر شده است. اصلاح سطح نانو ذرات اکسید آهن توسط گروه های سیلانی، منجر به افزایش سازگاری نانو ذرات با ماتریس اپوکسی شده است. همچنین اصلاح سطح منجر به کاهش خواص آب‌دوستی این نانو کامپوزیت می شود ]6[.
اثر نانو ذرات بیسموت آهن و نانو ذرات بیسموت آهن حاوی ذرات نانو الیاف بر رزین اپوکسی بررسی شد. نتایج مورفولوژی نشان داد که، با افزایش پرکننده در ماتریس اپوکسی، چگالی نانو کامپوزیت افزایش می یابد و فاصله بین مولکولی افزایش می یابد و در نتیجه کلوخه ای شدن اتفاق می‌افتدیجاد می شود. حضور نانو ذرات آهن بیسموت آهن در ماتریس اپوکسی، منجر به کلوخه ای شدن ذرات شده است. ولی نانو ذرات حاوی ذرات الیاف میتواند سطح مشترک بزرگ‌تری ایجاد می‌کنند و ذرات الیاف به هم به صورتمی‌توانند مسیرهای پیوسته‌ای در ماتریس به وجود آورند متصل باشند]7[.
پژوهشگران اثر نانو ذرات آهن اصلاح شده با آمینو فنیل فرمالدهید، بر مورفولوژی رزین اپوکسی بررسی کردند.. نتایج این تحقیق نشان می‌دهد که افزودن نانو ذرات آهن اصلاح شده به ماتریس اپوکسی، به طور قابل توجهی ویژگی‌های شکست را تغییر می‌دهد. سطح شکست کامپوزیت‌های اپوکسی با بارگذاری ذرات اصلاح شده ف ناهموارتر می‌شوند. این تغییرات به دلیل انعکاس و ممانعت از پیشرفت ترک‌ها توسط نانوذرات است که منجر به محدود شدن پیشرفت ترک‌ها میشود. همچنین، پیوند محکم بین ذرات و ماتریس اپوکسی نشان‌دهنده عدم وجود جداسازی قابل توجه است. در نهایت، این نتایج نشان می‌دهند که نانوذرات به خوبی با غلظت های بیش از 5 درصد در ماتریس قرار می‌گیرند، بدون اینکه کلوخه ای شدن ایجاد شود]8[.
۳- خواص مکانیکی
پژوهشگران استحکام رزین اپوکسی خالص, نانو کامپوزیت اپوکسی حاوی نانو ذرات اکسید آهن ,، نانو کامپوزیت اپوکسی حاوی نانو ذرات اکسید آهن و پلی دوپامین و نانو کامپوزیت اپو کسی حاوی نانو ذرات اکسید آهن و دو نوع اصلاح کننده سیلانی (GPTMS, APTES) بررسی کردند (شکل3). نتایج نشان داد که, اضافه کردن نانوذرات به رزین اپو کسی, ، مقدار استحکام کششی را از ۵۰/۳۸ به ۷۷/۵۵ مگاپاسکال افزایش داده که معادل ۵/۳۴ درصد بهبود است. حضور پلی دوپامین در نانو کامپوزیت اپوکسی منجر به کاهش خواص مکانیکی شد که به‌دلیل کلوخه ای شدن ذرات می باشداست. همچنین حضور دو نوع گروه سیلانی منجر هم منجر به افزایش خواص مکانیکی شده است،؛ ولی گروه سیلانی ,APTES افزایش بیشتری داشت. در بین تمام نمونه ها, ، خواص مکانیکی رزین اپوکسی در حضور نانو ذرات اکسید آهن نتایج بهتری دارد]9[.
شکل۱شکل3. استحکام مکانیکی رزین اپوکسی و نانو کامپوزیت های اپوکسی ]9[.
در پژوهش دیگر، اثر نانو ذرات اکسید آهن و نانو ذرات اکسید آهن اصلاح شده با گروه سیلانی بر دمای انتقال شیشه ای رزین اپوکسی بررسی شد (شکل4). نتایج آزمون دینامیکی مکانیکی نشان داد که، دمای انتقال شیشه ای رزین اپوکسی خالص و نانو کامپوزیت اصلاح شده به ترتیب برابر با 44 و 49 درجه سانتیگراد می باشداست. همچنین اصلاح سطح نانو ذرات منجر به افزایش مدول ذخیره نانو کامپوزیت حاوی نانو ذرات اصلاح شده در مقایسه با رزین اپوکسی خالص و نانو کامپوزیت حاوی نانو ذرات اصلاح نشده می شود]10[.
شکل1شکل4. نمودار مدول ذخیره رزین اپوکسی و نانو کامپوزیت اپوکسی]10[.
بررسی خواص مکانیکی کامپوزیت‌های اپوکسی پر شده با نانوذرات اکسید آهن و گرافن اکسیدگرافن کاهش یافته (RGO) انجام شد. نتایج تحقیق نشان داد که، پیوند قوی کربن sp2 در ساختار گرافن، منجر به توزیع خوب پرکننده‌ها می شود و به تقویت خواص مکانیکی کامپوزیت کمک می‌کند. تعامل در مرز ماتریس و پرکننده منجر به انتقال بار مکانیکی مؤثر از ماتریس به پرکننده میشود و در نتیجه استحکام و سختی سفتی کامپوزیت افزایش می یابد. با افزودن 25/0 phr از هیبرید نانو ذرات به رزین اپوکسی، بیشترین مقدار افزایش در استحکام کششی (56 درصد) و استحکام خمشی (81 درصد) مشاهده شد. همچنین مشاهده شد که با افزایش درصد حضور نانو ذرات در ماتریس اپوکسی، نانو کامپوزیت کلوخه ای میشود و خواص مکانیکی کاهش پیدا می‌کند]11[.
اثر نانو ذرات اکسید آهن و نانو ذرات اکسید آهن اصلاح شده با گروه های سیلانی (APTES)، بر خواص مکانیکی رزین اپوکسی بررسی شد (جدول1). نتایج نشان دادد که، حضور نانو ذرات اکسید آهن اصلاح شده منجر به افزایش مدول رزین اپوکسی در مقایسه با دیگر نمونه ها میشود. حضور 3 درصد وزنی از نانو ذرات اکسید آهن اصلاح شده، منجر به افزایش مدول رزین اپوکسی به مقدار 60 درصد میشود. با افزایش مقدار در صد وزنی نانو ذرات اصلاح شده به 5 درصد، کلوخه ای شدن در فصل مشترک نانو ذرات اصلاح شده و رزین اپوکسی اتفاق می افتد و در نتیجه مدول نانو کامپوزیت اپوکسی کاهش پیدا می کند. همچنین دمای انتقال شیشه ای نانو کامپوزیت اپوکسی اصلاح شده 3 درصد، در مقایسه با دیگر نمونه ها افزایش می یابد که به دلیل پراکنش مناسب نانو ذرات اصلاح شده توسط گروه های سیلانی استمی باشد. دمای انتقال شیشه ای نانو کامپوزیت اپوکسی، تغییرات زیادی ندارد که به دلیل عدم پراکنش مناسب نانو ذرات در ماتریس اپوکسی می باشداست]12[.
نمونه | مدول(GP | دمای انتقال شیشه |
رزین اپوکسی خالص | 45/1 | 43 |
نانو | 48/1 | 1/43 |
نانو | 58/1 | 3/44 |
نانو | 59/1 | 6/43 |
نانو | 57/1 | 3/43 |
نانو | 74/1 | 2/46 |
نانو | 69/1 | 6/43 |
جدول1. مدول و دمای انتقال شیشه ای رزین اپوکسی و نانو کامپوزیت های اپوکسی]12[.
در پژوهشی دیگر ، اثر نانو ذرات اکسید آهن اصلاح شده با آمینو فنیل فرمالدهید، بر خواص مکانیکی رزین اپوکسی بررسی شد. نتایج نشان داد که، حضور 4 درصد وزنی از این نانو ذرات میتواند منجر به افزایش استحکام کششی به مقدار 3/94 مگاپ پاسکال در مقایسه با رزین اپوکسی(75 مگا پاسکال) شود. همچنین با افزودن نانو ذرات اکسید آهن اصلاح شده به رزین اپوکسی، مدول یانگ کاهش پیدا می‌کند. امکان دارد کاهش در خواص مکانیکی،ی امکان دارد به دلیل و تغییر چگالی اتصال عرضی رزین اپوکسی ناشی از افزودن نانو ذرات اکسید آهن اصلاح شده باشد. همچنین، دمای انتقال شیشه ای (Tg)، نانو کامپوزیت ساخته شده بیشش تر از رزین اپوکسی خالص می باشداست. افزایش Tg به این دلیل است که گروه آمینه روی سطح ذره چگالی اتصال عرضی ماتریس اپوکسی را افزایش می دهد و به آن اجازه می دهد در دماهای بالاتر برای غلبه بر نیروهای بین مولکولی حرکت کند. بنابراین، دمای انتقال شیشه ای نانو کامپوزیت افزایش می یابد]13[.
پژوهشگران، اثر نانو ذرات اکسید آهن و نانو ذرات اکسید آهن اصلاح شده با گروه های سیلانی (APTES)، بر خواص مکانیکی رزین اپوکسی بررسی کردند. نتایج نشان داد که مقدار مدول برای نانو کامپوزیت اپوکسی اصلاح شده، نانو کامپوزیت و رزین اپوکسی به ترتیب برابر با 47/1، 61/1 و 75/1 گیگا پاسکال استمی باشد. این بهبود در خواص مکانیکی به دلیل اصلاح نانو ذرات با گروه سیلان می باشداست که منجر به چسبندگی سطحی قوی‌تر بین نانوذرات اکسید آهن اصلاح شده و ماتریس اپوکسی می شود]14[.
خواص مکانیکی نانو کامپوزیت اپوکسی حاوی نانو لوله های کربنی اصلاح شده با ذرات آهن بر رزین اپوکسی بررسی شد. نتایج استحکام ضربه نشان داد که حضور 2،1 ،4 و6 درصد وزنی از نانو ذرات میتواند منجر به افزایش استحکام ضربه در مقایسه با رزین اپوکسی خالص شود. همچنین با افزایش مقدار5 درصد وزنی از نانو ذرات در ماتریس اپوکسی، نانو کامپوزیت دچار کاهش استحکام ضربه می شود. این کاهش به دلیل کاهش پراکنش نامناسب ذرات در اپوکسی میباشد که منجر به کاهش استحکام ضربه شده است. مقدار استحکام ضربه برای نمونه رزین اپوکسی خالصف نانو کامپوزیت اپوکسی در حضحور 2،1 ،4 و6 درصد وزنی از نانو ذرات به ترتیب برابر با 6/9، 8/10، 6/11 ، 2/13 و 12 کیلوژول بر مترمربع می باشد]15[.
در پژوهشی دیگر، ضریب اتلاف نانو کامپوزیت اپوکسی حاوی 10 درصد وزنی از نانو ذرات اکسید آهن بررسی شد. نتایج نشان داد که دمای انتقال شیشه ای نانو کامپوزیت در مقایسه با رزین اپوکسی خالص به سمت دماهای بالاتر جا به جا میشود و در نتیجه باعث بهبود میرایی و خواص مکانیکی می شود]1616-15[.
پژوهشگران گرانروی رزین اپوکسی خالص را با نانو کامپوزیت اپوکسی حاوی نانو ذرات اکسیدد آهن اصلاح شده با سایکلو دکسترین بررسی کردند. نتایج نشان داد که گرانروی نانو کامپوزیت اپوکسی در مقایسه با رزین اپوکسی خالص، افزایش می یابد. این افزایش به دلیل پراکنش مناسب ذرات در ماتریس رزین اپوکسی می باشداست که منجر به بهبود برهم‌کنش قوی بین رزین اپوکسی و نانو ذرات اصلاح‌ش شده می شود]17[.
۴- پایداری گرمایی و رفتار تخریب گرمایی
پژوهشگران تخریب گرمایی رزین اپوکسی خالص،, نانو کامپوزیت اپوکسی حاوی نانو ذرات اکسید آهن، , نانو کامپوزیت اپوکسی حاوی نانو ذرات اکسید آهن و پلی دوپامین و نانو کامپوزیت اپو کسی حاوی نانو ذرات اکسید آهن و دو نوع اصلاح‌ک کننده سیلانی (GPTMS, APTES) را بررسی کردند ( جدول۱جدول2). نتایج نشان داد که , میانگین دمای اولیه تخریب گرمایی رزین اپوکسی خالص در حدود ۶۷/۳۳۸ درجه سانتیگراد می باشداست. پلیمر در آن دما اولین مرحله فرایندفرایند تخریب گرمایی را با شکستن شبکه اپوکسی آغاز می‌کند. به نظر می‌رسد که نرخ تخریب گرمایی با تقویت‌شدن با APTES و GPTMS کاهش یافته است،؛ زیرا دمای بالاتری برای تخریب مورد نیاز بود. همچنین حضور نانو ذرات اکسید آّآهن در ماتریس رزین اپوکسی منجر به افزایش ذغال باقی‌مانده شد. نانوذرات اکسید آهن در محدوده دمایی آزمایش شده تجزیه نشدند.. ه همچنین دمای اولیه تخریب گرمایی رزین اپوکسی درحضور نانوذرات اکسید آهن کاهش می یابد. کاهش پایداری حرارتی نانو کامپوزیت اپوکسی به دلیل افزایش انتقال حرارت در سراسر کامپوزیت به دلیلدر حضور نانوذرات فلزی نسبت داده میشود که به نوبه خود منجر به تسریع در تجزیه حرارتی ماده گردیده شده است. . همچنین حضور اصلاح کننده سیلانی منجر به افزایش ذغال باقی‌مانده شده است]12[.
درصد ذغال باقی‌مانده | دمای اولیه تخریب گرمایی(OC) | نام نمونه |
۸۷/۳ | ۶۷/۳۳۸ | رزین اپوکسی |
۶۵/۴ | ۶۲/۳۳۱ | اپوکسی / نانو |
۴۳/۵ | ۳۵/۳۳۷ | اپوکسی |
۶۸/۶ | ۴۷/۳۳۲ | اپوکسی |
۶۲/۴ | ۸۰/۳۳۵ | اپوکسی |
جدول۱جدول2. داده های به دست آمده از آنالیز تحلیل گرما وزن سنجی رزین اپوکسی و نانو کامپوزیت های اپوکسی ]12[.
در پژوهشی دیگر اثر نانو ذرات اکسید آهن بر تخریب گرمایی رزین اپوکسی بررسی شد. نتایجچ نشان داد که با افزودن ۵/۰ و ۱ درصد از نانو ذرات اکسید آهن (III) به ماتریس اپوکسی ,، پایداری گرمایی به ترتیب ۴ و ۱۷ درصد در مقایسه با رزین اپوکسی خالص افزایش می یابد که به دلیل افزایش چگالی شبکه ای شدن رزین اپوکسی می باشداست. همچنین لازم به ذکر است که در دمای ۳۰۰ درجه سانتیگراد با افزودن ۱۵ درصد حجمی از الیاف شیشه‌ای به رزین اپوکسی ، پایداری حرارتی ۴۷ درصد کاهش می‌یابد. حضور هم‌زمان نانو ذرات اکسید آّآهن و الیاف شیشه در ماتریس رزین اپوکسی منجر به افزایش پایداری حرارتی می شود. این افزایش به دلیل آن است که رزین اپوکسی حاوی نانو ذرات اکسید آهن از نگهداری رطوبت در ماتریس اپوکسی جلوگیری کرده و، بنابراین قادر به انتقال حرارت در هنگام افزایش دما میشود]13[.
اثر نانو ذرات آهن و فیلو سیلیکات بر دمای تخریب گرمایی رزین اپوکسی بررسی شد. نتایج نشان داد حضور هم‌زمان این دو ماده منجر به افزایش پایداری گرمایی رزین اپو کسی میشود. همچنین مقدار درصد ذغال باقی‌مانده رزین اپوکسی و نانو کامپوزیت اپوکسی به ترتیب برابر با ۵/۱۴ و ۶/۲۰ می باشداست . این بدان معناست که اصلاح نانو ذرات آهن با مواد دیگر منجر به افزایش پایداری گرمایی رزین اپوکسی شده است. ذغال باقی‌مانده با لایه فشرده تر و پیوسته تر می تواند به مانند یک سپر، محافظت بهتری را بر رویاز سطح ماتریس اپوکسی ایجاد کندانجام دهد، که و می تواند به طور موثر انتقال گرما، اکسیژن و مواد فرار قابل احتراق از منبع گرما به ماتریس اپوکسی را محدود کند و از افزایش تخریب حرارتی رزین اپوکسی جلوگیری کند]14[.
در پژوهشی دیگر اثر نانو ذرات اکسید آهن اصلاح شده با کربونیل بر خواص حرارتی رزین اپوکسی بررسی شد. در ابتدا تخریب گرمایی رزین اپوکسی در دمای بیش از 280 درجه سانتیگراد اتفاق می افتد. همچنین درصد ذغال باقی‌مانده رزین اپوکسی خالص در دمای 600 درجه سانتیگراد، به مقدار 2/0 می باشداست. با افزایش مقدار نانو ذرات اصلاح شده، مقاومت گرمایی نانو کامپوزیت اپوکسی در مقایسه با رزین اپوکسی افزایش می یابد. در واقع پوسته اپوکسی ، منجر به کاهش تخریب گرمایی هسته نانو ذرات اصلاح شده می شود. بنابر این پایداری گرمایی نانو کامپوزیت اپوکسی در مقایسه با رزین اپوکسی افزایش می یابد]15[.
آنالیز تتحلیل تخریب گرمایی رزین اپوکسی حاوی نانو ذرات گرافن اکسایدگرافن کاهش یافته و نانو ذرات آهن انجام شد. نتایج این تحقیق نشان داد که دمای اولیه تخریب گرمایی رزین اپوکسی و نانو کامپوزیت اپوکسی به ترتیب برابر با 356 و 216 درجه سانتیگراد می استباشد. همچنین مقدار درصد ذغال باقی‌مانده نانو کامپوزیت اپوکسی در مقایسه با رزین اپوکسی خالص بیشتر می باشداست. بنابر این، حضور نانو ذرات پایداری گرمایی را افزایش می دهد]16[.
در پژوهشی دیگر، تخریب گرمایی نانو ذرات اکسید آهن و اکسیدگرافن اکساید کاهش یافته بر رزین اپوکسی بررسی شد. نتایج نشان داد که، تخریب رزین اپوکسی خالص از در محدوده بین دمای330 تا 430 درجه سانتیگراد اتفاق می افتد (جدول1جدول3). این تخریب گرمایی در رزین اپوکسی خالص، به دلیل تخریب حرارتی در زنجیره اصلی است. با افزودن هیبرید نانو ذرات، تخریب گ گرمایی نانوکامپوزیت به دمای بالاتری (345 درجه سانتیگراد) در مقایسه با رزین اپوکسی خالص انتقال پیدا می‌کند. این ازفایش افزایش در دمای تخریب گرمایی نانو کامپوزیت، به دلیل تعامل خوب بین ماتریس اپوکسی و هیبرید نانوپرکننده‌های استمی باشد.. لایه‌های سخت نانو ذرات اکسیدگرافن اکساید کاهش یافته به همراه نانو ذرات اکسید آهن میتواند به عنوان مانعی برای تخریب گ گرمایی رزین اپوکسی عمل کنند. همچنین حضور هم‌زمان این نانو ذرات، ورود اکسیژن را محدود می‌کند؛، و در نتیجه باعث بهبود کاهش تخریب گرمایی نانو کامپوزیت اپوکسی میشود]17[.
جدول1جدول3. داده های به دست آمده از آنالیز تحلیل گرما وزن سنجی رزین اپوکسی و نانو کامپوزیت اپوکسی]17[.
نمونه (phr) | دمای اولیه تخریب گرمایی (oc) | بیشینه دمای (oc) | در |
رزین اپوکسی | 331 | 372 | 11/8 |
1/0 | 346 | 377 | 22/9 |
25/0 | 345 | 377 | 89/9 |
5/0 | 346 | 382 | 54/11 |
1 | 345 | 378 | 65/11 |
5 | 347 | 381 | 30/15 |
اثر نانو ذرات اکسید آهن و نانو ذرات اکسید آهن اصلاح شده با گروه های سیلانی (APTES)، بر رفتار تخریب گرمایی رزین اپوکسی بررسی شد (شکل1شکل5). نتایج نشان داد که، اولین تخریب گرمایی برای همه نمونه ها در محدوده دمایی 300 تا 430 درجه سانتیگراد اتفاق می افتد. حضور نانو ذرات اکسید آهن پایداری گرمایی رزین اپوکسی را افزایش می‌دهد. همچنین حضور نانو ذرات اکسید آهن اصلاح شده با گروه سیلانی، در ماتریس اپوکسی منجر به افزایش پایداری گرمایی رزین اپوکسی در مقایسه با دیگر نمونه‌ی دیگر می شود. دمای 50 در صد کاهش وزن نمونه نانو کامپوزیت اپوکسی و نانو کامپوزیت اپوکسی اصلاح شده به ترتیب برابر با 372 و 377 درجه سانتیگراد می باشداست. دلیل بهبود تخریب گرمایی این نانو کامپوزیت ، حضور ذرات سیلیکا می باشداست که منجر به بهبود فصل مشترک رزین اپوکسی با نانو ذرات اکسید آهن شده است]18[.
شکل1شکل5. نمودار گرما وزن سنجی رزین اپوکسی و نانو کامپوزیت های اپوکسی]18[.
رفتار تخریب گرمایی رزین اپوکسی حاوی تاخیر تأخیر انداز شعله آمونیوم پلی فسفات و نانو ذرات اکسید آهن بررسی شد. نتایج نشان داد که، حضور تاخیر تأخیر اندازه شعله منجر به بهبود رفتار تخریب گرمایی کامپوزیت اپوکسی در مقایسه با نمونه رزین اپوکسی خالص میشود. همچنین حضور هم‌زمان تاخیر تأخیر اندازه شعله و نانو ذرات اکسید آهن منجر به بهبود پایداری گرمایی رزین اپوکسی می شود. این بهبود به دلیل ذغال باقی‌مانده می باشداست که بر روی سطح نانو کامپوزیت تشکیل میشود و مانع تخریب گرمایی نانو کامپوزیت اپوکسی می شود]19[.
در پژوهشی دیگر اثر نانو ذرات آهن و نانو ذرات نقره بر تخریب گرمایی رزین اپوکسی بررسی شد. نتایج نشان داد که، نانو کامپوزیت اپوکسی حاوی نانو ذرات نقره پایداری کمتری در مقایسه با نانو کامپوزیت اپوکسی حاوی نانو ذرات اکسید آهن و نانو ذرات نقره دارد. این بدان معناست حضور نانو ذرات اکسید آهن به بهبود پراکنش کمک کرده است و،؛ در نتیجه تخریب گرمایی بهبود پیدا کرده است. همچنین از از منحنی مشتق توزیع حرارتی (DTG)، مشخص شد(شکل1شکل6)، که حضور نانو ذرات در نانو کامپوزیت ها منجر به جابه جایی منحنی های نانو کامپوزیت در مقایسه با رزین اپوکسی خالص، نشده است. این مطلب نشان‌دهنده این موضوع است که افزایش در پایداری گرمایی کامپوزیت ها، زمانی اتفاق می افتد که از نانو ذرات استفاده شده باشد]20[.
شکل1شکل6. نمودار مشتق توزیع حرارتی رزین اپوکسی و نانو کامپوزیت اپوکسی]20[.
آنالیز تحلیل گرما وزن سنجی رزین اپوکسی حاوی پلی استر و نانو کامپوزیت اپوکسی حاوی پلی استر، الیاف شیشه و نانو ذرات اکسید آهن بررسی شد. همچنین نانو ذرات اکسید آهن با گروه های سیلانی اصلاح شد. نتایج نشان داد که، پایداری گرمایی نانو کامپوزیت اپوکسی در مقایسه با رزین اپوکسی خالص بهبود می یابد. این بهبود در خواص گرمایی به دلیل پراکنش مناسب نانو ذرات و الیاف شیشه توسط گروه های سیلانی می باشداست]21[.
5- پیشرفت های اخیر
پژوهشگران نانو کامپوزیت اپوکسی حاوی نانو ذرات کبالت آهن، بورون نیترید، فنیلن دی آمین ، و فسفاژن را سنتز کردند. نتایج نشان داد که این ترکیب نه تنها دمای تخریب گرمایی کمتری را در هنگام آزمون شعله نشان می‌دهد، بلکه در حفظ کربن باقی‌مانده و کاهش چگالی دود نیز عملکرد عالی دارد. این نوآوری میتواند به عنوان یک راهکاری مؤثر در بهبود ایمنی در برابر پوشش ضد آتش مورد استفاده قرار گیرد]17[.
نتایج تحقیقات نشان می‌دهد که استفاده از نانوکامپوزیت اپوکسی حاوی نانو ذرات اکسید آهن و گرافن اکسیدگرافن کاهش یافته در پوشش‌های اپوکسی حاوی ذرات روی، به‌طور قابل توجهی عملکرد ضد خوردگی را بهبود می‌بخشد. با ساخت این نانو کامپوزیتف کامپوزیت، حفاظت کاتدی به مدت ۴۰ روز افزایش یافته و چگالی جریان خوردگی به میزان قابل توجهی کاهش یافته است. این نوآوری میتواند راه‌حلی مؤثر برای چالش‌های موجود در پوشش‌های ضد خوردگی سنتی باشد. بنابراین، این مطالعه افق‌های جدیدی را برای توسعه پوشش‌های ضد خوردگی با کارایی بالا در صنعت فراهم می‌آورد]18[.
در پژوهشی دیگر، به بررسی اثربخشی نانو ذرات اکسید آهن و ذرات کربن سیاهدوده در مقیاس‌های میکرو و نانو که در ماتریس اپوکسی به منظور کاهش تابش گاما سنتز شده‌اند، پرداخته شده است. این تحقیق به تحلیل تأثیر این نانو مواد بر کاهش تابش گاما و بهبود خواص اپوکسی می‌پردازد.. نتایج نشان می‌دهد که افزودن نانوذرات اکسید آهن قابلیت حفاظتی هیبرید نانو کامپوزیت را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد و این مواد به دلیل استحکام مکانیکی عالی، برای کاربردهای عملی در حفاظت در برابر تابش مناسب هستند. این تحقیق پتانسیل این نانو کامپوزیت اپوکسی را به عنوان مواد کارآمد و قابل اعتماد برای محافظت در برابر تابش گاما در زمینه‌های مختلف، از جمله نیروگاه‌های هسته‌ای و تأسیسات پزشکی، برجسته می‌کند]19[.
به منظور ساخت الیاف ضد آب از نانو کامپوزیت اپوکسی حاوی نانو ذرات اکسید آهن و اسید لوریک استفاده شد. نتایج این تحقیق نشان داد که، ه که الیاف ضد آب ساخته شده دارای خواص چسبندگی بالا می باشندهستند. همچنین از دیگر کاربردهای این نانو کامپوزیت، می‌توان به جداسازی آب از روغن ، پایداری مکانیکی و خواص ضد شعله اشاره کرد]20[.
پژوهشگران، نانو کامپوزیت اپوکسی حاوی نانو ذرات اکسید آهن از نوع آلفا را سنتز کرزدند. نتایج نشان داد که به با حضور نانو ذرات میتواند به‌طور قابل توجهی پایداری حرارتی و تشکیل ذغال باقی‌مانده را در رزین اپوکسی افزایش دهید داد و در نتیجه مقاومت در برابر آتش را بهبود بخشید. همچنین، مقایسه دو نوع نانو ذرات اکسید آهن از نوع آلفا و گاما نشان داده که ، نانو ذرات نوع آلفا خواص ضد شعله بهتری در مقایسه با نوع گاما دارند. تحلیل ذغال باقی‌مانده زغال نشان می‌دهد که نانو ذرات اکسید آهن نوع آلفا به بهبود فشردگی لایه ذغال کمک می‌کند کرده،و در نتیجه اثر هم‌افزایی بهتری در مقاومتی در برابر آتش ایجاد می‌کندکرده است. بنابراین، استفاده از نانو ذرات اکسید آهن به عنوان یک ماده‌ای مقاوم در برابر آتش میتواند به طور مؤثرتری خطر آتش‌سوزی مواد پلیمری را کاهش دهد]21[.
اثر نانو ذرات اکسید آهن و پلی پیرول بر خواص ضد شعله رزین اپوکسی در مقایسه با رزین اپوکسی خالص بررسی شد. نتایج نشان داد که حضور 2/0 درصد وزنی از نانو ذرات اکسید آهن و پلی پیرول در ترکیب با رزین اپوکسی به همراه 8/9 درصد وزنی آمونیوم پلی فسفات، میتواند بهبود قابل توجه ای در خواص ضد شعله نانو کامپوزیت اپوکسی در مقایسه با رزین اپوکسی خالص ایجاد کند. بنابراین، استفاده از این ترکیب میتواند به توسعه مواد مقاوم‌تر و ایمن‌تر در صنایع مختلف کمک کند]22[.
پژوهشگران اثر نانو ذرات رس هیبریدی حاوی ذرات آهن بر رزین اپوکسی و پلی فسفاژن بررسی کردند. نتایج این تحقیق نشان داد که، ساخت این نانو کامپوزیت منجر به افزایش خواص ضد شعله نانو کامپوزیت اپوکسی در مقایسه با رزین اپوکسی خالص می شود]23[.
در پژوهشی از اکسید گرافن و نانوذرات اکسید آهن و اولئات برای تقویت رزین اپوکسی استفاده شد. نتایج نشان داد که پراکندگی این ترکیب در حضور میدان مغناطیسی، اثرات مغناطیسی-نوری قابل توجهی را به همراه دارد. با تنظیم ویسکوزیته گرانروی و انتخاب ترکیب بهینه، نمونه‌ها تحت شرایط مختلفی آزمایش شدند. نتایج تحقیقات نشان داد که نانو کامپوزیت اپوکسی ساخته شده در میدان مغناطیسی، خواص سایشی (wear) مناسبی (greatest wear)، را دارند ]24[..
مطالعات نشان می‌دهد که افزودن ۱ درصد وزنی نانو سیلیکا به فرمولاسیون فرمول‌بندی پوشش اپوکسی حاوی نانو ذرات اکسید آهن به طور قابل توجهی پایداری حرارتی و عملکرد کلی پوشش را بهبود می‌بخشد. دمای تخریب گرمایی 50 درصد کاهش وزن برای نمونه نانو کامپوزیت اپوکسی حاوی نانو ذرات سیلیکا و نانو ذرات اکسید آهن (34/ 528 درجه سانتیگراد)، پایداری گرمایی بهتری را در مقایسه با نانو کامپوزیت اپوکسی حاوی نانو ذرات اکسید آهن (53/470 درجه سانتیگراد) دارد. هر دو فرمول‌بندی لاسیون دارای خواص فیزیکی، مکانیکی و مقاومت در برابر خوردگی هستند،؛ ولی نمونه حاوی نانو ذرات سیلیکا، ویژگی‌های برتری را نشان می‌دهد. این یافته‌ها نشان می‌دهند که افزودن نانو سیلیکا برای توسعه پوشش‌های اپوکسی با عملکرد بالا مفید است]25[.
پژوهشگران، به منظور بهبود عملکرد پوشش‌های رزین اپوکسی برای محافظت از سازه‌های بتنی در برابر خوردگی شیمیایی و سایش سطحی از نانوذرات اکسید آهن و گرافیت استفاده کردند. نتایج نشان داد که ، پوشش‌های نانوی اصلاح‌شده نسبت به پوشش‌های غیر اصلاح‌نشده بهبود قابل توجهی در عملکرد نشان دادندمی‌دهند. همچنین افزودن 3 درصد وزنی از نانوذرات اکسید آهن به گرافیتی بهترین مقادیر چسبندگی را ارائه می‌دهد. علاوه بر این، افزودن 3 درصد وزنی از این ترکیب به رزین اپوکسی تعادلی بین بهبود چسبندگی و محدود کردن حلالیت را فراهم کردمی‌کند]26[.
همچنین افزودن 3 درصد وزنی از نانوذرات اکسید آهن به گرافیت، بهترین مقادیر چسبندگی را در مقایسه با نمونه خالص ارائه می‌دهد]26[.
در پژوهشی دیگر اثر نانو ذرات آهن فسفینه شده بر رزین اپوکسی و پلی اتیلن ایمین بررسی شد. نتایج این تحقیق نشان داد که ، به طور هم‌زمان خواص مقاومتی، استحکام و دمای انتقال شیشه‌ای در مقایسه با رزین اپوکسی خالص افزایش می یابد. همچنین، با سنتز این نانو کامپوزیت، ، خواص ضد شعله بهبود می یابد. این پژوهش، ایده های جدیدی برای ساخت نانو کامپوزیت های اپوکسی با کارایی چندمنظوره و کارایی بالا به صنعت ارائه می‌دهد]27[.
استفاده از آلژینات حاوی ذرات آهن در ماتریس اپوکسی به طور قابل توجهی خواص ضد شعله رزین اپوکسی را بهبود بخشیده و خواص ضد دود را افزایش می‌دهد. ساخت این کامپوزیت باعث کاهش دمای تخریب اولیه و حداکثر نرخ کاهش وزن میشود و در عین حال، میزان تولید حرارت و دود را به طور چشمگیری کاهش می‌دهد. همچنین، این نانو کامپوزیت منجر به بهبود 5/13 درصدی استحکام ضربه در مقایسه با رزین اپوکسی خالص می شود. این ویژگی‌های مطلوب، آلژینات حاوی ذرات آهن را به یک استراتژیراهبردی مؤثر برای تولید ترکیبات اپوکسی با ایمنی بالا برای افزایش خواص ضد شعله، تبدیل می‌کند]28[.
در پژوهشی دیگر مشخص شد که ، افزودن 1 درصد وزنی از فنیل فسفینات آهن،گرافن و نانو سیلیکا به رزین اپوکسی منجر به بهبود قابل توجهی در خواص ضد شعله، مکانیکی و عایق الکتریکی میشود. همچنین حضور ذرات در ماتریس اپوکسی منجر به افزایش مقدار 5/44 درصدی در استحکام کششی، و افزایش مقدار 1/61 درصدی در مدول کششی میشود. این کار راهبردی یکپارچه برای توسعه و ساخت نانو کامپوزیت اپوکسی با خواص چند منظوره با عملکرد بالا را فراهم می‌کند]3032-29[. در جدول3جدول4، مهم‌ترین نکات در ساخت نانو کامپوزیت های اپوکسی حاوی نانو ذرات اکسید آهن اصلاح شده، جمع آوری شده است.
جدول۳جدول4. مهم‌ترین نکات در پیشرفت های اخیر در نانو کامپوزیت های اپوکسی حاوی نانو ذرات اکسید آهن اصلاح شده]32-17[
نام نمونه | سال | نتایج مهم |
اپوکسی- بورون | 2025 | پوشش ضد |
اپوکسی- نانو | 2025 | پوشش ضد |
اپوکسی- نانو | 2024 | کاربردهای هسته |
اپوکسی- نانو | 2024 | افزایش خواص ضد |
اپوکسی- نانو | 2024 | خواص ضد |
اپوکسی- نانو | 2024 | خواص بهتر ضد |
اپوکسی- نانو | 2024 | افزایش خواص ضد |
اپوکسی- ذرات آهن- نانو | 2025 | افزایش خواص ضد |
اپوکسی – نانو | 2025 | بهبود خواص در کاربرد کاتالیزور نوری |
اپوکسی – نانو | 2023 | بهبود خواص سایشی در میدان مغناطیسی |
اپوکسی – نانو | 2023 | افزایش خواص ضد |
اپوکسی- نانو | 2023 | بهبود عملکرد پوشش‌های مقاوم در برابر خوردگی |
اپوکسی- فنیل | 2023 | بهبود رسانایی گرمایی |
اپوکسی- ضایعات آهن- الیاف شیشه | 2023 | استفاده و بهینه |
اپوکسی- نانو | 2023 | افزایش خواص ضد |
اپوکسی- پلی | 2023 | پوشش ( self-healing ability) |
اپوکسی- پلی | 2022 | افزایش خواص ضد |
اپوکسی- آهن | 2022 | افزایش خواص ضد |
اپوکسی- فنیل | 2024 | افزایش خواص ضد |
6 نتیجه گیری
نتایج بررسی‌های انجام شده بر روی مورفولوژی سطوح شکست رزین اپوکسی و نانو ذرات اکسید آهن نشان می‌دهد که توزیع نانو ذرات در ماتریس اپوکسی تأثیر قابل توجهی بر خواص مکانیکی و دی‌الکتریک این کامپوزیت‌ها دارد. کلوخه ای شدن نانو ذرات اکسید آهن در برخی نقاط منجر به کاهش استحکام مکانیکی و پایداری حرارتی میشود. در مقابل، اصلاح نانو ذرات با کربونیل و گروه‌های سیلانی بهبود قابل توجهی در پراکنش و سازگاری نانو ذرات با ماتریس اپوکسی ایجاد کرده و، از کلوخه‌ای شدن جلوگیری می‌کند. افزودن نانوذرات به رزین اپوکسی به طور قابل توجهی میتواند استحکام کششی و مدول آن را افزایش دهد. به‌ویژه، نانوذرات اکسید آهن اصلاح شده با گروه‌های سیلانی (APTES) بهبود بیشتری در خواص مکانیکی نسبت به سایر نمونه‌ها ایجاد کرده‌اند. با این حال، افزایش درصد وزنی نانوذرات میتواند منجر به کلوخه‌ای شدن و کاهش خواص مکانیکی شود. به طور کلی، نتایج نشان‌دهنده پتانسیل بالای نانو کامپوزیت‌های اپوکسی در بهبود خواص مکانیکی و حرارتی میباشد است که میتواند در کاربردهای صنعتی و مهندسی مورد استفاده قرار گیرد. نتایج این پژوهش‌ها نشان می‌دهد که افزودن نانو ذرات اکسید آهن و اصلاح‌کننده‌های سیلانی به ماتریس رزین اپوکسی، به‌طور قابل توجهی پایداری حرارتی این کامپوزیت‌ها را افزایش می‌دهد. به‌ویژه، حضور نانو ذرات اکسید آهن و ترکیب آن‌ها با دیگر مواد مانند پلی دوپامین و الیاف شیشه، منجر به بهبود رفتار تخریب گرمایی و افزایش دمای اولیه تخریب میشود. همچنین، افزایش درصد ذغال باقی‌مانده در دماهای بالا نشان‌دهنده بهبود در ساختار و عملکرد حرارتی این نانو کامپوزیت‌ها است. نتایج تحقیقات اخیر در زمینه نانو کامپوزیت‌های اپوکسی حاوی نانو ذرات اکسید آهن اصلاح شده نشان‌دهنده پیشرفت‌های قابل توجهی در بهبود خواص فیزیکی و شیمیایی این مواد است. این نانو کامپوزیت‌ها با افزودن نانو ذرات مختلف، از جمله اکسید آهن، گرافن و پلیمرهای خاص، به طور مؤثری خواص ضد شعله، ضد خوردگی و پایداری حرارتی را افزایش می‌دهند. استفاده از این نانو کامپوزیت‌ها میتواند به عنوان راهکاری مؤثر در صنایع مختلف، از جمله ساخت و ساز، حفاظت در برابر تابش و بهبود افزایش ایمنی مواد سامانه‌های پلیمری، مورد استفاده قرار گیرد. به ویژه، نانو ذرات اکسید آهن نوع آلفا به دلیل خواص بهتر ضد آتش خود، توجه بیشتری را جلب کرده‌اند.
References
1. Jesiya S. G., Vijayan P. P., Vahabi H., Maria H. J., C.S. A., Thomas S., Sustainable Hybrid Green Nanofiller Based on Cellulose Nanofiber for Enhancing the Properties of Epoxy Resin, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 694, 134082, 2024.
2. O’Leary M., Hartley R., Radhakrishnan A., Mavrogordato M., McMahon T., Kratz J., Interlaminar Properties of Carbon Fibre/Epoxy Laminates Produced through a Semi-Curing Process, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 187, 108488, 2024.
3. Guadagno L., Naddeo C., Raimondo M., Thermal, Mechanical, and Electrical Performance of Structural Epoxy Resins Filled with Carbon Nanofibers, Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 148, 13095–13106, 2023.
4. Mikinka E., Whittaker T., Synaszko P., Whittow W., Zhou G., Dragan K., The Influence of Impact-Induced Damage on Electromagnetic Shielding Behaviour of Carbon Fibre Reinforced Polymer Composites, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 187, 108464, 2024.
5. Yan J., Xu M., Hu X., Liu L., Xiao X., Li B., A Multifunctional Epoxy Composites Based on Cellulose Nanofiber/Carbon Nanotube Aerogels: Simultaneously Enhancing Fire-Safety, Thermal Conductive and Photothermal Performance, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 187, 108514, 2024.
6. Xu Y., Liu S., Xu S., Liu G., Li G., Flexible and Flame Retardant Cotton Fiber-Reinforced CS/CNF/EP Composites For a Sensitive Fire Warning, Chemical Engineering Journal, 500, 156960, 2024.
7. Saputri D. D., Saraswati T. E., Raharjo W. W., Anggoro P. A., Reinforcement of Epoxy Resin-Polyimide Composites Using Magnetic-Carbon Nanofiber and Titanium Dioxide as Hybrid Filler for Electromagnetic Interference Shielding Material, Malaysian Journal of Analytical Sciences, 28(5), 1012–1031, 2024.
8. Bai G., Niu C., Lang L., Liang X., Gu W., Wei Z., Chen K., Bohinc K., Guo X., In-Situ Formation of Dual-Gradient Hydrogels through Microfluidic Mixing and Co-Extrusion for Constructing an Engineered Antibacterial Platform, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing,187, 108497, 2024.
9. Klinthoopthamrong N., Thanawan S., Schrodj G., Mougin K., Goh K.-L., Amornsakchai T., Synergistic Toughening of Epoxy Composite with Cellulose Nanofiber and Continuous Pineapple Leaf Fiber as Sustainable Reinforcements, Nanomaterials, 13, 1703, 2023.
10. Gharieh A., Sharifian A., Dadkhah S., Enhanced Long-Term Corrosion Resistance and Self-Healing of Epoxy Coating with HQ-Zn-PA Nanocomposite, Scientific Reports, 15, 8154, 2025.
11.Zhang L., Yang D., Li Z., Zhai Z., Li X., de La Vega J., Wang D.-Y., Ultrafine iron Iron oxide Oxide decorated Decorated mesoporous Mesoporous carbon Carbon nanotubes Nanotubes as highly Highly efficient Efficient flame Flame retardant Retardant in epoxy Epoxy nanocomposites Nanocomposites via Via catalytic Catalytic charring Charring effectEffect, Sustainable Materials and Technologies, 39, e00845, 2024.
12.Ali Z., Yaqoob S., D’Amore A., Impact of Dispersion Methods on Mechanical Properties of Carbon Nanotube (CNT)/Iron Oxide (Fe3O4)/Epoxy Composites, Journal of Carbon Research., 10(3), 66, 2024.
13.Qi C., Dam-Johansen K., Weinell C.E., Wu H., Effect of iron Iron powder Powder on zinc Xinc reactivity Reactivity and anticorrosion Anticorrosion performance Performance of zincXinc-rich Rich epoxy Epoxy coatingsCoatings, Progress in Organic Coatings, 190, 108403, 2024.
14.Shariatmadar M., Gholamhosseini P., Abdorrezaee Z., Ghorbanzadeh S., Feizollahi S., Hosseini F.S., Azad Shahraki F., Mahdavian M., Leveraging polyaniline Polyaniline grafted Grafted micaceous Micaceous iron Iron oxide Oxide as a dual Dual activeActive-barrier Barrier pigment Pigment for antiAnti-corrosion Corrosion polymer Polymer coatingsCoatings, Surface and Coatings Technology, 479, 130501, 2024.
15.Zhong F., Yang X., Chen C., Wang M., Wang B., Xia H., Song J., Cobalt-doped Doped ironIron-based Based Prussian blue Blue analogue Analogue cubes Cubes anchored Anchored to phosphorusPhosphorus-nitrogenNitrogen-covered Covered BN surfaces Surfaces for enhancing Enhancing the flame Flame retardancy Retardancy of epoxy Epoxy coatingsCoatings, Progress in Organic Coatings, 198, 2025.
16.Ji Z., Shu J., Jing H., Su C., Peng X., Li T., Xu C., Xia M., Wang J., Yang J., Lei W., Hao Q., Enhanced corrosion Corrosion resistance Resistance of zincZinc-rich Rich epoxy Epoxy antiAnti-corrosion Corrosion coatings Coatings using Using grapheneGraphene-Fe2O3 and HEDP, Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 2025.
17.Khalil M.M., Gouda M.M., Abbas M.I., Impact of nano Fe2O3 on radiation Radiation parameters Parameters of epoxy Epoxy reinforced Reinforced with With nano Nano carbonCarbon, Scientific Reports, 14, 21940, 2024.
18.Wang B., Zhang C., Huang B., Wang H., Miao X., Deng W., A facile Facile dipDip-coating Coating approach Approach to prepare Prepare robust Robust superhydrophobic Superhydrophobic fabric Fabric modified Modified by By γ-Fe2O3/epoxy Epoxy resinResin/lauric Lauric acid Acid for oilOil/water Water separationSeparation, lossless Lossless water Water transportationTransportation, and flame Flame retardancyRetardancy, Surfaces and Interfaces, 45, 103896, 2024.
19.Qiao Y., Tao X., Li L., Robust α-Fe2O3/Epoxy Resin Superhydrophobic Coatings for Anti-icing Property, J. Wuhan Univ. Journal of Wuhan University of Technology-Materials Science Edition., 39, 621–626, 2024.
20.Wei Z., Guan J., Yan L., Niu G., The role Role of nanoNano-Fe2O3 crystal Crystal structure Structure on the thermal Thermal stabilityStability, flame Flame retardancyRetardancy, and smoke Smoke suppression Suppression of intumescent Intumescent flameFlame-retarded Retarded epoxy Epoxy resinsResins, Journal of Vinyl and Additive Technology, 31(1), 59-70, 2024.
21.Zhou K., Wu Y., Yin L., Luo J., Lu K., Yu B., Shi Y., Zhang S., Jia S., In situ Situ assembly Assembly of polyphosphazene Polyphosphazene on Fe-MMT nanosheets Nanosheets for highHigh-performance Performance flameFlame-retardant Retardant epoxy Epoxy compositesComposites, Polymer Degradation and Stability, 235, 111264, 2025.
22.Le Huy C.H., Thanh A.T., Study on fabricating fabricating epoxy epoxy coatings coatings reinforced reinforced with iron iron oxide oxide flakes flakes and nano nano silicasilica, Journal of Reinforced Plastics and Composites, 42(13-14), 724-740, 2023.
23.Dorado L., Toledo A.R. de la Osa A., Esteban-Arranz J., Sacristan B., Pellegrin J., Steck L., Sanchez-Silva L., Adhesion enhancement enhancement and protection protection of concrete concrete against Against aggressive Aggressive environment Environment using Using graphiteGraphite-Fe2O3 modified Modified epoxy Epoxy coatingCoating, Construction and Building Materials, 379, 131179, 2023.
24.Shi X.-H., Liu Q.-Y., Li X.-L., Yang S.-Y., Wang D.-Y., Simultaneously improving Improving the fire Fire safety Safety and mechanical Mechanical properties Properties of epoxy Epoxy resin Resin with iron Iron phosphonated Phosphonated grafted Grafted polyethyleniminePolyethylenimine, Polymer Degradation and Stability, 206, 110173, 2022.
25.Liu C., Li P., Xu Y.J., Epoxy/iron Iron alginate Alginate composites Composites with improved Improved fire Fire resistanceResistance, smoke Smoke suppression Suppression and mechanical Mechanical propertiesProperties, Journal of Materials Science, 57, 2567–2583, 2022.
26.Chen Q., Huo S., Lu Y., Ding M., Feng J., Huang G., Xu H., Sun Z., Wang Z., Song P., Heterostructured Graphene@Silica@Iron Phenylphosphinate for Fire-Retardant, Strong, Thermally Conductive Yet Electrically Insulated Epoxy Nanocomposites, Small, 20(31), 2310724, 2024.
27.Shi G., Zang J., Chen R., Wang X., Wang L., Wang M., Cheng Y., Differences in the magnetic Magnetic properties Properties of Finemet/FeSi soft Soft magnetic Magnetic composites Composites prepared Prepared with epoxy Epoxy resinResin/nanoNano-oxide Oxide composite Composite coating Coating layersLayers, Materials Today Communications, 40, 110177, 2024.
28.Rathi J.S.L., Ruban Y.J.V., Mon S.G., Waste iron Iron swarf Swarf reinforced Reinforced epoxyEpoxy/unsaturated Unsaturated polyester Polyester particulate Particulate composite Composite films Films fabricationFabrication, characterization Characterization and peculiaritiesPeculiarities, Journal of the Indian Chemical Society, 102(3), 101619, 2025.
29.Zimmermann I., Eilts F., Galler A.-S., Bayer J., Hober S., Berensmeier S., Immobilizing calcium-dependent affinity ligand onto iron oxide nanoparticles for mild magnetic mAb separation, Biotechnology Reports, 45, 2025.
30. Chen Y., Sha A., Jiang W., Lu Q., Du P., Hu K., Li C., Eco-friendly bismuth vanadate/iron oxide yellow composite heat-reflective coating for sustainable pavement: Urban heat island mitigation, Construction and Building Materials, 470, 140645, 2025.
31. Karami M. H., Kalaee M. R., Mazinani S., Martínez V. G., Wellen R. M. R., Shanmugharaj A. M., Kim K., Isoconversional Model Approach and Cure Kinetics of Epoxy/NBR Nanocomposites, Proceedings of the 14th International Seminar on Polymer Science and Technology (ISPST 2020), 9-10, 2020.
32. Karami M. H., Kalaee M. R., A Review of the Applications of Cross-Linked Elastomeric Nanoparticles, Iranian Rubber Magazine, 25, 37-56, 2021.
[1] رایانامه نویسندگان مسئول مکاتبات:
(karami.polymerpostdoc@gmail.com and mh.karami@eng.ui.ac.ir), o.moini@eng.ui.ac.ir,v.yazdanian@itrc.ac.ir.
[2] and* Corresponding author's email:
(karami.polymerpostdoc@gmail.com and mh.karami@eng.ui.ac.ir), o.moini@eng.ui.ac.ir,v.yazdanian@itrc.ac.ir.
